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Sistema de automatizacin para una planta productora de jabn lquido 14 Nov 2011

Facultad de Ingeniera Elctrica y Electrnica (IEE) Universidad Pontificia Bolivariana

SISTEMA DE AUTOMATIZACIN PARA UNA PLANTA PRODUCTORA

DE JABN LQUIDO

1 Andrs Mauricio Zapata Gallego

1 Cra85B #45-19 Simn Bolvar, Medelln, Colombia,[email protected], tel.

(+574) 4164204

Resumen: Este proyecto de grado presenta un estudio completo y detallado del proceso de

produccin de jabn lquido, que actualmente se realiza en la empresa rtico Productos de aseo y

partiendo de esto, se propone todo un diseo en el cual lo que se pretende es automatizar el

proceso replanteando la parte fsica y mecnica de la planta y proponiendo un entorno automatizado con un PLC Siemens de la familia S7-200, actuando como parte fundamental para

que la produccin de jabn lquido se realice de forma automtica, eficiente y segura.

En el transcurso del documento se puede apreciar como partiendo de una situacin actual se

evoluciona hasta obtener como resultado una planta eficiente, en la cual fueron invertidos una

variedad de conocimientos interdisciplinarios, arrojando como resultado una planta de

produccin viable econmicamente, en la cual se emple tecnologa moderna y que es apta para

entrar competir en el mercado de manera inmediata. Copyright 2011 UPB.

Abstract: This degree project presents a complete and detailed study of the production process of

rtico Productos de Aseo

products. The aim of the assignment is to set out a design that will make automatic the production

process, making physical and mechanical modifications to the industrial unit and proposing an

automated environment with a Siemens PLC of the S7-200 family, acting like a fundamental

instrument; making the liquid soap production automatic, efficient and safe.

In the project it is possible to appreciate the evolution of the production process step by step,

studying how the process and the plant became efficient, all consequence from a variety of

interdisciplinary knowledge, showing as result a plant which is economically viable, that uses

modern technology and is ready to compete in the market straight away

Keywords: Project, Automatic, Process, PLC, Plant.



1. INTRODUCCIN

Actualmente en la industria de la pequea y mediana empresa se tienen en la mayora de sus actividades la intervencin de operarios y procesos manuales, los cuales bsicamente llevan a un aumento en la posibilidad de riesgos, y accidentes, poca eficiencia reflejada en la disminucin de ingresos y una deficiente

estandarizacin en los procesos productivos de la empresa. En la empresa rtico Productos de Aseo se tiene un proceso productivo de jabn lquido en las presentaciones de Sanda, Durazno y beb que actualmente se realiza de una manera manual

desde la adicin de componentes hasta su envasado final; por lo tanto, lo que se propone es un cambio total en la planta desde su diseo mecnico hasta la seleccin de toda la instrumentacin necesaria, para por ltimo unificar todo en el PLC S7-200, el cual ser la unidad central de procesamiento para realizar todo el proceso desde el principio hasta el final

culminando con el envasado segn la cantidad previamente seleccionada. De esta manera se tiene una planta con todos sus procesos estandarizados, un entorno seguro para los operarios involucrados, eliminando procesos manuales. Tambin se tuvo en cuenta un aumento

del 500% en la cantidad de produccin (debido a que actualmente se est produciendo 60 L y se espera producir 300 L ), y el proceso finalmente se realizar de una manera ms rpida y eficiente. 1.1 Objetivo general

Realizar un diseo para la automatizacin de una planta productora de jabn lquido, mediante el uso de un Controlador Lgico Programable (PLC), implementando su control, cableado, sensores, gabinetes e instrumentacin, adems de un estudio econmico el cual muestre la viabilidad del proyecto.

1.2. Objetivos especficos

Realizar un programa de control para el PLC, mediante el cual se controlen

actuadores, temporizadores, motores y dems herramientas e instrumentos los

cuales conforman la planta productora de jabn lquido.

Dimensionamiento de los sensores empleados, teniendo en cuenta costo- beneficio.

Eleccin del PLC apropiado para el proceso a automatizar.

Caracterizacin de motores.

Realizacin detallada de planos elctricos y planos de control.

Eleccin de un variador de frecuencia adecuado para el proceso a automatizar.

Dejar toda la documentacin y estudios para una futura implementacin prctica en la empresa rtico Productos de Aseo.

Realizacin de un estudio econmico detallado, el cual muestre la viabilidad del proyecto, y su costo total para una futura implementacin fsica.

2. DESCRIPCIN DEL PROYECTO

El proyecto consiste en realizar un estudio completo de automatizacin para una planta productora de jabn lquido, con el fin de realizar secuencias de produccin en tanques de

almacenamiento de 150 L sin la intervencin operarios que agreguen los ingredientes o que operen la mquina mezcladora (simplemente para supervisin), empleando tecnologas modernas como los PLC y la sensrica. El PLC que se emplear en el desarrollo de este proyecto es el S7-200 el cual es utilizado por la Universidad

Pontificia Bolivariana (UPB) en el curso de controladores programables.

3. ESTADO ACTUAL DE LA PLANTA

PRODUCTORA DE JABN LQUIDO Actualmente la planta cuenta con tres aspas en acero inoxidable, montadas, dos sobre chumaceras y una directamente sobre el eje del

motor. Estas aspas son impulsadas por un motor de hp, General Electric, monofsico, de 1800 RPM, mediante dos bandas y dos poleas. Para el control de velocidad del motor, se tiene instalado



un variador de velocidad, General Electric, el cual es compatible con el motor. La mquina actual con que se est produciendo jabn lquido

se puede apreciar en la Figura 1

Figura 1. Mquina mezcladora para elaboracin de jabn lquido.

4. AUTOMATIZACIN La automatizacin es la realizacin de tareas y funciones mediante mquinas de funcionamiento autnomo, sin la intervencin directa del hombre.

La importancia de la automatizacin proviene del hecho de asumir las mquinas la parte ms dura del trabajo, la menos inteligente, y por tanto, la menos humana; como el esfuerzo, el desgaste fsico y la repeticin sin variaciones. Con la automatizacin el hombre se reserva para s la actividad creadora y el empleo de la inteligencia [1].

4.1 Ventajas de la automatizacin

Asume la parte ms dura del trabajo y por consiguiente la menos inteligente.

Aumenta la homogeneidad y calidad de los productos.

Disminuye los tiempos muertos y los costos de produccin. El trabajo se realiza en forma continua y en serie, se racionalizan los recursos y las materias primas. Se obtiene como resultado final una industria ms productiva y competitiva [2].

5. DISEO MECNICO DE LA PLANTA

PRODUCOTRA DE JABN LQUIDO

5.1 Propuesta para la construccin de la

mquina La planta productora de jabn lquido como propuesta inicial, constar de dos etapas las cuales son, primero, el diseo del tanque de mezclado principal con su respectivo agitador y

todo esto soportado por una estructura mecnica. La segunda etapa bsicamente es una estructura en la cual se soportarn todos los recipientes con materia prima en sus partes superiores e inferiores. En esta etapa tambin se tendr en cuenta la banda transportadora. Al terminar el

diseo de las dos etapas se procede a unirlas arrojando como resultado la planta completa para la produccin de jabn lquido. En la Figura 2, adems de presentar la estructura se puede apreciar el motor montado con el agitador.

Figura 2. Estructura principal con motor y

agitador.

En la Figura 3, se aprecia la estructura con el tanque, dejando concluida la primera etapa de diseo mecnica de la planta, correspondiente al tanque, la estructura para su soporte con el respectivo motor y el agitador.



Figura 3. Estructura principal con motor, agitador, y tanque

Con todo lo anterior se da por terminado el proceso del diseo mecnico de la planta productora de jabn lquido para la empresa rtico productos de Aseo. En la Figura 4 se pueden apreciar todas las partes mecnicas unidas (estructura principal, estructura auxiliar, tanque de premezcla y banda transportadora), formando en su totalidad la planta completa.

Figura 4. Diseo mecnico completo de la planta

productora de jabn lquido

6. INSTRUMENTACIN ELCTRICA

Bsicamente los elementos elctricos ms relevantes (por mencionar algunos) en el proyecto son las vlvulas solenoides y guillotinas y la bomba de arrastre electromagntico, debido a su complejidad.

6.1 Vlvula solenoide

Las vlvulas solenoides son empleadas para el control de fluidos para sistemas automticos o

manuales, teniendo como funcin principal la apertura o restriccin del paso de un fluido por un ducto. Fsicamente estn compuestas por una estructura metlica y cuentan con un roscado para sus acoples en tuberas. La forma de accionamiento de una vlvula solenoide puede ser del tipo manual o de una

manera automtica mediante dispositivos de mando especiales. Constitutivamente la vlvula solenoide est compuesta por dos unidades bsicas, las cuales son un electroimn con ncleo mvil, y una vlvula con orificio en la cual se encuentra

fijo un disco o tapn el cual es el encargado de la apertura o el cierre segn este energizado o no el electroimn, ayudado por un resorte que lleva la vlvula a su posicin original. [3]

6.2 Bomba centrfuga de arrastre magntico

Este tipo de bombas, son centrfugas en cuanto al sistema de propulsin de los fluidos transportados, y magnticas en cuanto al sistema de acople entre el motor y la turbina impelente. El sistema de traccin magntica aporta la ventaja de no ser necesarios pasos de ejes ni

empaquetaduras, para establecer el acople entre el motor y la turbina, ya que de ello se encargan imanes permanentes que actan a travs de la pared hermtica del cuerpo de la bomba. Por tanto se obtiene una total estanqueidad que evita que se produzcan derrames y costo del reemplazo peridico de los sellos, lo cual es

normal en bombas de otro tipo o convencionales. [4]

6.3Vlvula tipo guillotina

Las vlvulas tipo guillotina principalmente estn compuestas por dos piezas en acero que componen su cuerpo y una lmina en carbono que forma la compuerta. Estas vlvulas

principalmente se emplean cuando se utiliza la gravedad para dispensar slidos, por lo que representa una excelente opcin en procesos industriales donde intervienen silos o salidas de tolvas, en entradas y salidas de transportadores



mecnicos, en entradas de descargadores telescpicos entre otras aplicaciones ms en manejos de slidos. [5]

7. ELEMENTOS ELCTRICOS ADICIONALES

7.1 Contactor

Un contactor corresponde a un interruptor de

potencia, el cual es accionado por un electroimn. Los contactos de un contactor tienen como funcin conectar y desconectar cargas elctricas en un circuito de potencia [6].

7.2 Rel trmico y portarel

El funcionamiento bsico del rel trmico est basado en el principio del bimetlico, el cual

corresponde a una cinta bimetlica (elemento sensible) que se dilata cuando es sometida a algn cambio de temperatura. Este cambio de temperatura se puede presentar por calentamiento directo, caso en el cual la corriente circula por el elemento sensible y al paso de esta se produce una elevacin en la temperatura que

genera la deformacin del bimetlico haciendo actuar los contactos del rel. El calentamiento tambin puede ser indirecto y se produce cuando la corriente circula por un filamento y el calor que se produce se transmite al bimetlico por conduccin y radiacin logrando de igual manera accionar los contactos del rel. [7]

El portarel constituye un elemento fsico el cual permite actuar como soporte del rel trmico para permitir la conexin de este.

7.3 Fusibles y portafusibles cermicos

Los fusibles estn constituidos de un hilo o laminilla metlica de bajo punto de fusin el cual es sensible ante condiciones de cortocircuito

o sobrecarga. El fusible es conectado en serie con la carga y acta fundiendo el elemento sensible asilando el circuito cuando la corriente en circulacin supera el umbral de referencia del filamento [8]. El porta fusible es una pieza cermica en la cual se monta el fusible permitiendo la conexin con el circuito y el fcil

reemplazo de este en el momento de su actuacin.

7.4 Breaker o interruptor de potencia

Es un interruptor de potencia el cual est provisto de una palanca para su accionamiento manual, y opera cuando por sus contactos

principales se presenta circulacin de corrientes de sobrecarga o cortocircuito, los cuales superan los umbrales de referencia. Bsicamente los breakers o interruptores automticos son instalados para la proteccin de cables y conductores de acometidas elctricas de circuitos de cargas, tanto en mquinas o grupos

de mquinas, como en motores grupos de motores y sus equipos auxiliares [9].

7.5 Indicadores luminosos

Tambin se denominan lmparas de sealizacin y se emplean para indicar alguna condicin elctrica de circuito o el estado de funcionamiento de algn elemento receptor de

energa. Regularmente se encuentran alojados en las cajas de pulsadores o sobre o en la parte frontal de los paneles de control. Sus tensiones de operacin se encuentran entre 12V y 240V [10].

7.6 Pulsadores

Son dispositivos de mando y consisten de un interruptor de uno o varios contactos que pueden ser abiertos y/o cerrados los cuales son conmutados gracias al accionamiento de una fuerza externa sobre el mbolo o pistn de material aislante que se encuentra acoplado mecnicamente al interruptor [11].

8. VARIADOR DE FRECUENCIA

YASKAWA V1000

Es un variador vectorial compacto de alto desempeo de propsitos generales para uso con motores AC de jaula de ardilla o motores sincrnicos de imn permanente.

Su diseo PWM (modulacin por ancho de pulsos) suministra un alto torque de arranque y bajo ruido en su funcionamiento.

Incorpora dos sistemas de control de velocidad: el control V/Hz permite que este variador sea apropiado para la mayora de las aplicaciones corrientes y un control vectorial en lazo abierto,



para aplicaciones donde se requiera alta precisin en la regulacin de velocidad y alto torque a bajas velocidades.

El variador V1000 est creado para aplicaciones de torque constante, incorpora un operador digital con pantalla de 5 dgitos LCD, para ver su estado.

Su hardware cuenta con diferentes entradas y salidas anlogas y digitales que pueden ser programadas para diferentes configuraciones de control externo y permitir la automatizacin y la incorporacin a un sistema.

Sus caractersticas y especificaciones estndares de control y funcionamiento le brindan un alto desempeo y lo hacen ideal para trabajar en aplicaciones industriales como bandas transportadoras, agitadores, molinos, manejo de materiales, centrifugas, procesamiento de

alimentos y bebidas, maquinaria de empaque, bombas, lavadoras industriales, compresores, polipastos, etc. [12].

9. CONTROLADOR LGICO

PROGRAMABLE (PLC) El PLC, tambin llamado autmata programable, es un dispositivo electrnico programable, utilizado para cumplir funciones de automatismos lgicos y control de procesos de manufactura en

ambiente industrial y tiempo real [13].

9.1 Ventajas de su empleo

Utiliza la lgica programada y no cableada.

Permite introducir cambios fcilmente, segn sea el desarrollo (evolucin) de la maquinaria o el proceso.

Emplea menor tiempo de realizacin y menor mano de obra.

Facilita la implementacin de sistemas de control distribuido o de control jerarquizado.

Tanto los costos, como, el peso, el tamao. El volumen de los componentes, el mantenimiento y la mano de obra, son menores.

Aumenta la confiabilidad.

Se puede instalar en cualquier tipo de ambiente. El PLC es diseado para aplicacin industrial y puede estar sometido a influencias fsicas, elctricas y qumicas

(temperatura, humedad, vibracin), ruidos, cortes de energa, contaminante ambientales como el polvo, etc.

Permite la simulacin de procesos, alarmas y fallas sin influir de forma directa sobre las maquinas [14].

9.2 Aplicaciones generales

Los PLC tienen infinidad de aplicaciones en la industria, entre ellas se pueden destacar las siguientes:

Control de movimientos en mquinas-herramientas (avanzar, retroceder, girar, doblar, pegar).

En prensas, estampadoras, trefiladoras, embutidoras, maquinas de soldadura.

En procesos de manufactura como: embotellado, embalaje, etiquetado, pesaje, dosificacin.

En diferentes aplicaciones donde se requiere el control de automatismos lgicos, tales como: ascensores, bombas, compresores, hornos industriales, sealizacin

(semforos), grupos electrgenos, manejo de materiales (metalurgia, siderurgia), calderas, programacin de energa, lavadoras, control de motores, etc.

En subestaciones elctricas, actuadores, seccionadores, interruptores y en

coordinacin de protecciones en fallas de alta tensin.

Para regulacin en procesos fsico qumicos, cuando el controlador programable est configurado con bloques funcionales PID [15].

10. PLC SIMENS S7-200

La gama de PLC Siemens S7-200 est compuesto de variados sistemas de automatizacin pequeos (micro- PLC) que pueden ser empleados para una infinidad de tareas.

Debido a su compacto diseo, capacidad de ampliacin, precio econmico, y un variado juego de operaciones, los Micro- PLC S7-200 son ideales para soluciones de automatizacin sencillas. Adems la variedad en tamaos y



fuentes de alimentacin para las CPU ofrecen gran flexibilidad en el desarrollo de tareas de automatizacin [16] En la Figura 5 se muestra un micro PLC S7-200.

Figura 5. Micro PLC S7-200. Fuente:

Micro PLC S7-200. Extrado de sistemas de automatizacin S7-200. 1999 P1.

10.1 Lenguaje de programacin para el PLC Siemens S7-200 CPU 226. Software STEP 7-Micro/WIN 32

El Software STEP 7-Micro/WIN 32 bsicamente es un software de programacin, el cual tiene la ventaja que es amigable con el usuario, de fcil manipulacin y ptimo para la creacin de programas para soluciones industriales y de automatismos.

10.2 Fuente de alimentacin SITOP smart

La fuente SITOP smart es ptima para diversas aplicaciones de 24 VCD. Tanto en versin monofsica como trifsica (SITOP PSU300S 20 A). Estas fuentes se presentan compactas en cuanto a su tamao, pero grandes en funcionalidad a un precio muy bajo. Gracias a la potencia extra con 1,5 por intensidad nominal

durante 5 segundos es posible conectar grandes cargas sin ningn tipo de inconveniente. Esta fuente de alimentacin la cual cuenta con una potencia nominal de 120% en servicio permanente, de diseo estrecho y compacto se cataloga entre las ms fiables de su categora.

Caractersticas principales:

24 V/2,5, 5, 10 A y 20 A para aplicaciones

estndar

Con 48 V/10 A permite utilizar secciones de cable pequeas

Con 24 V/10 A montaje mural para altos requisitos contra choques y vibraciones

Potencia extra sobrecargas breves durante el servicio normal

Capacidad de sobrecarga permanente hasta una temperatura ambiente de 45 C

No es preciso respetar distancias libres por los costados

Tensin de salida ajustable entre 22,8 y 28 V Numerosas certificaciones; por ejemplo, GL

y ATEX

Ampliables con DC-USV, mdulo de redundancia y mdulo de corte selectivo y de diagnstico [17].

10.3 Especificaciones tcnicas PLC Siemens

S7 200

El PLC seleccionado corresponde al S7 200 CPU 226, el cual debido a que tiene el mayor nmero de entradas y salidas de la familia S7 200, lo hace ptimo para implementarlo segn los requerimientos de automatizacin para la planta productora de jabn lquido. Los datos tcnicos de la CPU 226 se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1. Datos tcnicos CPU 226

CARACTERSTICA DESCRIPCIN

N de

6ES7 216-2AD23-0XB0 Referencia

Modelo

CPU 226 de CPU

Alimentacin

24 VDC (Nominal)

Entradas

Digitales 24 x 24 VDC

Salidas

16 x 24 VDC Digitales

Puertos

2 COM

Entradas

No Analgicas

Salidas

No Analgicas

Conector

S Extrable



Teniendo la seleccin del PLC, es de gran

importancia tener claridad en el cableado de ste, por lo tanto en la Figura 6, se tiene el diagrama de cableado del PLC S7-200 CPU 226, en el cual se especifican los bornes de alimentacin, entradas y salidas, con sus respectivas marcaciones.

Figura 6. Diagrama de cableado del PLC S7-200

CPU 226. Fuente: Extrado de Manual del

sistemas de automatizacin S7-200. 2004 P 426 Debido a que en el desarrollo del programa se tuvieron involucradas 12 entradas y 26 salidas, es necesario el uso de un mdulo de ampliacin ya que la CPU solo cuenta con 16 salidas, por lo tanto la seleccin corresponde al mdulo de

ampliacin EM 223, que cuenta con los datos tcnicos presentados en la Tabla 2.

Tabla 2. Datos tcnicos del mdulo de ampliacin EM 223.

CARACTERSTICA DESCRIPCIN

N de referencia 6ES7 223 1BL22 0XA0

Mdulo

EM 223 16 entradas digitales/16 salidas digitales x 24 VDC

de ampliacin

Entradas Digitales 16 x 24 VDC

Salidas Digitales 16 x 24 VDC0,75

Conector

Extrable S

Igual que para el caso del PLC, el mdulo de

ampliacin tambin tiene su diagrama de cableado el cual es de suma importancia para observar los bornes y saber esquemticamente a que corresponde (entradas, salidas y alimentacin). El diagrama de cableado para el mdulo de ampliacin se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Diagrama de cableado para el mdulo de ampliacin EM 223.Fuente:

Extrado del Manual del sistemas de automatizacin S7-200. 2004 P 432.

10.4 Diagrama esquemtico con las respectivas

entradas y salidas del PLC Tras tener seleccionada la CPU a utilizar y el mdulo de ampliacin necesario, se procedi a realizar el programa del PLC segn los requerimientos del proceso. Esta programacin

incluye unas entradas en las que bsicamente se tienen los pulsadores de energizacin y seleccin de procesos; y unas salidas las cuales energizan directamente a los actuadores, segn sea la fase del proceso. En la figura 8 se muestra el diagrama de cableado de la CPU 226, con las respectivas entradas y salidas.

Debido a que las salidas provistas por la CPU 226 no son suficientes, fue necesario un mdulo de ampliacin mostrado en la figura 9 el cual tiene asignadas unas salidas para la energizacin de ciertos actuadores en el proceso.



Figura 8. Diagrama esquemtico de cableado de la CPU 226 con asignacin de entradas y salidas. Fuente: Extrado de Manual del sistemas de automatizacin S7-200. 2004 P 426.

Figura 9. Diagrama esquemtico de cableado del

mdulo de ampliacin EM 223 con asignacin de salidas. Fuente: Extrado de Manual del sistemas de automatizacin S7-200. 2004 P 432.

El programa con el que se logr automatizar la planta, se compone inicialmente de selecciones de fragancia y cantidad, las cuales se realizan mediante pulsadores, que a su vez activan indicadores luminosos. Seguidamente tras tener

la seleccin de fragancia y cantidad, el programa automticamente comienza a energizar y desenergizar salidas, controladas independientemente por temporizadores, los cuales tienen como finalidad segn su calibracin, operar cada actuador el tiempo necesario para que adicione la cantidad necesaria

de materia prima en el proceso. El programa elaborado se simul en el software de Siemens S7-200, y en ste se seleccion la CPU 226, y su mdulo de ampliacin EM223. Posteriormente al operar el simulador se puede

apreciar que luego de seleccionar fragancia y cantidad mediante los pulsadores de las entradas, se inicia el proceso (segn la seleccin), y secuencialmente comienza la apertura y cierre de los actuadores, que se pueden ver en los pilotos del PLC asignados para cada una de las entradas y salidas. La secuencia se realiza segn el orden de adicin de los componentes en el proceso de

formulacin. El simulador con sus respectivas entradas, salidas, pulsadores y pilotos, mediante el cual se realizaron pruebas para el programa de automatizacin de la planta productora de jabn lquido se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Simulador de Siemens S7-200 CPU 226 con mdulo de ampliacin EM223. Gracias a la automatizacin de la planta se logra para la empresa rtico productos de Aseo,

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