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Trabajo de Diploma

Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría ISPJAE Facultad de ingeniería Eléctrica. Departamento de Automática y Computación

Autores Mauricio Villaescusa Cantillo

Andreis Alfonso Cordoví

Tutores Dra. Ing. Gilda M. Vega Cruz

Msc. Ing. Eugenio César S.

Título: Diseño de prácticas de laboratorio en la maqueta

de simulación industrial

Ciudad de La Habana, junio 2009

Declaración de autoridad

Por este medio damos a conocer que somos los únicos autores de este trabajo y

autorizamos al Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría a que hagan

del mismo el uso que estimen pertinente.

Autores: _______________________ ____________________ Mauricio Villaescusa Cantillo Andreis Alfonso Cordoví Tutores: ___________________________ ______________________________ Tutor Dr. Gilda María Vega Cruz Tutor Msc. Eugenio César Sánchez

Agradecimientos

A todas aquellas personas que han contribuido de una manera

u otra a la realización de este trabajo, especialmente:

A nuestros tutores por su especial atención.

A los profesores del departamento por su ayuda incondicional.

Mauricio Villaescusa Cantillo

A mi hermana, por inspirarme a seguir.

A mi novia, por sus cariños tan necesarios.

A mis compañeros, por su valiosa colaboración.

A mis padres, por brindarme su apoyo en todo momento.

Andreis Alfonso Cordoví

A mi esposa, por su amor y dedicación.

A mis padres, por estar siempre presentes.

A mi hermano, que me alegró en todo momento.

A mis suegros, por apoyarme como si fuera un hijo.

A Emilio, por dedicarnos su valioso tiempo.

A todos mis compañeros, que siempre me animaron.

"Aquella teoría que no encuentre

aplicación práctica en la vida es

una acrobacia del pensamiento"

Leonardo da Vinci

Resumen

En este trabajo se realiza el diseño de Prácticas de Laboratorio correspondientes

a las disciplinas de Instrumentación y Control de la carrera de Ingeniería

Automática; potenciando el favorecimiento de un aprendizaje mucho más activo y

abriendo nuevas expectativas a la formación del profesional.

Para el soporte técnico de las mismas, se ha utilizado una maqueta de simulación

industrial donada al ISPJAE por Miesa. La plataforma de los laboratorios está

sustentada por el trabajo con instrumentos inteligentes, protocolo PROFIBUS,

programación de un WinAC Slot PLC 416 e implementación de una aplicación

SCADA; elementos que se desarrollaron empleando el paquete SIMATIC PCS 7.

En el diseño de las prácticas también se han aplicado los conocimientos y

habilidades de la Didáctica Universitaria adquiridos en la carrera.

Abstract

This work is about design of laboratory practice for the disciplines of

Instrumentation and Control in Automation Engineering, looking for an active

learning and open new expectations for professional training.

To support them, were used an industrial simulation equipment donated to ISPJAE

by Miesa. The laboratories platform is supported by work with intelligent sensors,

PROFIBUS protocol, programming a WinAC Slot PLC 416 and implementation of a

SCADA application, these were developed using the package SIMATIC PCS 7. In

the design also has been applied the knowing and skills of University Didactic

acquired in the career.

Índice

Introducción ..................................................................... ¡Error! Marcador no definido.1

Capítulo I. Los laboratorios de Automática en el Proceso de Enseñanza-Aprendizaje. …………………………………………………………………………………………..…..1

1.1. Introducción ................................................................................................................ 2

1.2.Prácticas Docentes ...................................................................................................... 3

1.2.1. Proceso Enseñanza-Aprendizaje ......................................................................... 3

1.2.2. Práctica y Teoría .................................................................................................. 3

1.2.3. Práctica educativa, concepto ................................................................................ 4

1.2.4. Necesidad de la práctica docente......................................................................... 4

1.2.5. Metodología ......................................................................................................... 5

1.2.5.1. Aspectos para el diseño de las prácticas de laboratorio ................................ 5

1.2.5.2. Organización de las prácticas ........................................................................ 6

1.3. Estado del Arte ........................................................................................................... 7

1.3.1. Los Equipos Didácticos para la enseñanza y entrenamiento técnico en Automatización: Una visión mundial ............................................................................... 7

1.3.1.1. Montajes industriales para capacitación ........................................................ 7

1.3.1.2. Equipos didácticos industriales para capacitación ......................................... 8

1.3.2. Los laboratorios técnicos de Automática y control en el mundo ........................... 9

1.3.2.1. Laboratorio de Automática de la Universidad de León en España .............. 10

1.3.2.2. Laboratorio de Automática de AIP-PRIMECA RAO .................................... 12

1.3.2.3. Laboratorio de Automática en Telemark University College, Noruega ......... 14

1.3.3. Análisis del estado del Arte ................................................................................ 16

Capítulo II. Descripción de la maqueta y definición de los laboratorios.................... 17

2.1. Introducción .............................................................................................................. 18

2.2. Módulo de equipos e instrumentos............................................................................ 19

2.2.1. Elementos físicos ............................................................................................... 19

2.2.2. Conexión de los elementos ............................................................................... 21

2.3. Módulo de Procesamiento........................................................................................ 23

2.3.1. Elementos físicos ............................................................................................... 23

2.3.1.1. Cámara Superior ......................................................................................... 23

2.4. Software de aplicación .............................................................................................. 24

2.4.1. SIMATIC PCS 7 ................................................................................................. 24

2.4.1.1. Administrador SIMATIC ............................................................................... 25

2.4.1.2. Ventajas ...................................................................................................... 25

...........................................................

2.5. Arquitectura de la red Industrial ................................................................................ 25

2.5.1. Buses de campo ................................................................................................ 25

2.5.1.1. Concepto de BUS ........................................................................................ 26

2.5.1.2. Ventajas de un bus de campo ..................................................................... 26

2.5.1.3. Desventajas de un bus de campo................................................................ 27

2.5.2. PROFIBUS ......................................................................................................... 27

2.5.2.1. Generalidades del PROFIBUS .................................................................... 27

2.5.2.2. Familia PROFIBUS...................................................................................... 28

2.5.2.3. Datos técnicos del PROFIBUS .................................................................... 28

2.5.2.4. Algunas ventajas de PROFIBUS ................................................................. 28

2.5.3. Topologías de red .............................................................................................. 29

2.5.4. Detalles de la red implementada en la maqueta ................................................. 30

2.5.4.1. Distribuidor activo de campo (AFD) ............................................................. 30

2.5.4.2. Topología física en anillo ............................................................................. 31

2.5.4.3. Ventajas especiales de la arquitectura en anillo .......................................... 31

2.5.4.4. Cableado PROFIBUS utilizado ................................................................... 32

2.5.4.5. Conector PROFIBUS utilizado ................................................................... 32

2.5.4.6. Elementos físicos conectados a PROFIBUS DP ......................................... 32

2.5.4.7. Elementos físicos conectados a PROFIBUS PA .......................................... 32

2.5.4.8. Elementos físicos conectados a la ET200M ................................................ 33

2.6. Definición de los Laboratorios ................................................................................... 33

Capítulo III. Parametrización de la red y programación de los laboratorios .............. 35

3.1. Introducción .............................................................................................................. 36

3.1.1. Direccionamiento de las ET 200M ...................................................................... 37

3.1.2. Generalidades de STEP 7 .................................................................................. 37

3.2. Parametrización de la red ......................................................................................... 39

3.2.1. Identificación de los dispositivos......................................................................... 39

3.2.2. Configuración por programa de la red ................................................................ 39

3.2.2.1. Creación del proyecto .................................................................................. 39

3.2.2.2. Conexión de los dispositivos al bus DP ....................................................... 41

3.2.2.3. Conexión de los dispositivos al bus PA ....................................................... 43

3.2.2.4. Comunicación de la PC con el PLC ............................................................. 45

3.2.3. Direccionamiento físico de los dispositivos ......................................................... 46

3.2.3.1. Configuración del DP/PA Link con acopladores DP/PA ............................... 46

3.2.3.2. Configuración de la ET 200M con módulos de entrada/salida ..................... 47

3.3. Programación de los laboratorios .............................................................................. 47

3.3.1. Laboratorios a programar ................................................................................... 47

3.3.2. Estructura de programación ............................................................................... 48

3.3.2.1. Programación del laboratorio para trabajo con la válvula de control ............ 48

3.3.2.2. Programación del laboratorio para trabajo con lenguaje de contactos ......... 48

3.3.2.3. Programación del laboratorio de control ON-OFF de nivel........................... 49

3.3.2.4. Programación del laboratorio de montaje de un canal de medición de temperatura .............................................................................................................. 49

3.3.2.5. Programación del laboratorio de control PID con proceso simulado ............ 49

3.3.2.6. Programación del laboratorio de control PID de nivel .................................. 50

3.3.3. Gestión de laboratorios ...................................................................................... 50

3.3.4. Tratamiento de condiciones anormales .............................................................. 51

3.3.5. Estructura general del programa ........................................................................ 51

Capítulo IV. Aplicación SCADA y propuesta de comunicación OPC ......................... 53

4.1. Introducción .............................................................................................................. 54

4.1.1. Generalidades de WinCC ................................................................................... 54

4.1.2. Generalidades de OPC ...................................................................................... 55

4.2. Aplicación SCADA .................................................................................................... 56

4.2.1. Navegación en la aplicación SCADA para laboratorios de Automática ............... 57

4.2.2. Botones de control ............................................................................................. 58

4.2.3. Contador del tiempo de laboratorio .................................................................... 59

4.2.4. Descripción de la pantalla principal (“inicio.Pdl”) ................................................ 59

4.2.5. Descripción de la pantalla general (“General.Pdl”) ............................................. 60

4.2.6. Descripción de las pantallas de históricos generales.......................................... 60

4.2.7. Funcionamiento de la pantalla de descripción (“Descripción.Pdl”) ...................... 61

4.2.8. Tratamiento de las alarmas y descripción de la pantalla dedicada a las mismas (“Alarmas.Pdl”) ............................................................................................................. 62

4.2.9. Páginas asociadas a las prácticas de laboratorio ............................................... 63

4.2.9.1. Descripción de la pantalla de control de nivel (“CtrolNivel.Pdl”) ................... 64

4.2.9.2. Descripción de la pantalla de la válvula de control (“MTA_valvula.Pdl”) ...... 65

4.2.9.3. Descripción de la pantalla de control de flujo (“ControlP_flujo.Pdl”) (Propuesto) .............................................................................................................. 66

4.2.9.4. Descripción de la pantalla de control ON-OFF de nivel(“on-off.Pdl”)............ 68

4.2.9.5. Descripción de la pantalla del laboratorio de control PID simulado (“Pid_Simu.pdl‟‟) ....................................................................................................... 69

4.2.9.6. Descripción de la pantalla del laboratorio de Canal de medición (“Canal_Med.pdl‟‟) .................................................................................................... 70

4.2.9.7. Descripción de la pantalla del laboratorio de lenguaje de contactos (“MTA_KOP.pdl‟‟) ..................................................................................................... 71

4.2.9.8. Descripción de la pantalla del laboratorio de aplicación SCADA (“Lab_SCADA.pdl‟‟) .................................................................................................. 72

4.3. Propuesta de comunicación OPC ............................................................................. 73

4.3.1. Conceptos fundamentales para la realización de un proyecto ............................ 73

4.3.2. Servidor y clientes OPC ..................................................................................... 74

4.3.3. Configuración del servidor y el cliente OPC de WinCC ...................................... 75

Capítulo V. Análisis económico .................................................................................... 76

5.1. Introducción .............................................................................................................. 77

5.1.1. Conceptos generales ......................................................................................... 77

5.2. Cálculo del costo del proyecto .................................................................................. 78

5.2.1. Beneficios .......................................................................................................... 80

Conclusiones ................................................................................................................. 82

Recomendaciones ......................................................................................................... 83

Bibliografía ..................................................................................................................... 84

Anexos............................................................................................................................ 89

I

Introducción

En los últimos años ha existido una evolución constante en el uso y manejo de las

herramientas docentes, siendo esto consecuencia directa de los cambios y

transformaciones que sufren las tecnologías utilizadas en la educación. Por lo

tanto, se ha recurrido al desarrollo y aplicación de métodos docentes

implementados sobre recursos tecnológicos.

En especialidades de carácter técnico, como la Ingeniería Automática, aparecen

situaciones en las que los contenidos que deben ser asimilados por los alumnos

exigen un mayor grado de laboriosidad, y a su vez presentan una tendencia cada

vez más creciente a la complejidad (esquemas, circuitos, sistemas, etc.), por lo

que se hace necesaria la utilización de métodos prácticos más eficientes en el

proceso enseñanza aprendizaje.

Hasta hace poco tiempo se realizaban los planteamientos docentes empleando

solo métodos tradicionales como la pizarra, actualmente se ha pasado a la

exposición mediante transparencias proyectadas, caracterizadas en sí por poca

calidad y falta de dinamismo e interrelación. Con la evolución de la informática, el

software y los sistemas de multimedia, se ha podido dotar a las clases de mayor

nivel y un mayor alcance en los contenidos, introduciendo imágenes, gráficos,

colores, animaciones, etc. Por otra parte, la multimedia ha favorecido la

integración de textos y gráficos con audio y video, que fomentan la participación

activa y el aprendizaje por parte del estudiante en disciplinas con cierta

complejidad, con resultados visuales mucho más atractivos para él.

Como etapa superior se encuentran los equipos didácticos a escala reducida que

dan una aproximación de la realidad; o bien se desarrollan maquetas específicas

con equipamientos y características industriales idénticas a los que se encontrarán

los estudiantes en el mundo laboral; esto se debe a que en la mayoría de las

ocasiones no se dispone de los espacios adecuados o en algunos casos

simplemente no se dispone de los equipos.

Introducción

II

Sin duda, la utilización de equipos didácticos en el proceso de enseñanza

aprendizaje, es una alternativa prometedora en relación con las herramientas

antes mencionadas, basadas en paquetes comerciales de software que no

facilitan al estudiante una visión directa, dinámica, e interrelacionada con los

conceptos de la automática, y mucho menos de las tecnologías asociadas al

control, y de estas con los conceptos teóricos.

Este proyecto presenta el estudio y diseño de las prácticas de laboratorio para las

asignaturas relacionadas con el control y la instrumentación de la especialidad de

Automática. Su implementación representa una necesidad, ya que actualmente las

instalaciones de la disciplina están desprovistas de maquetas industriales

tecnológicamente actualizadas y pedagógicamente fundamentadas, que sirvan de

complemento a los conocimientos adquiridos por los alumnos. El desarrollo de

estas aplicaciones se realizará sobre la maqueta industrial donada al Instituto por

Miesa1 en el año 2007, conformada por:

Equipos electromecánicos.

Instrumentos de medición y elementos de acción final.

PC industrial con módulo de PLC incorporado.

Situación Problémica

Como parte de este trabajo se realizó una encuesta a una muestra al azar de 51

estudiantes de la especialidad de Automática que cursan los años cuarto y quinto.

Preguntas para los estudiantes de cuarto año:

1. ¿Has interactuado con un instrumento inteligente?

2. ¿Has trabajado con un PLC real?

Resultados de la encuesta:

No. Encuestados Pregunta 1 Pregunta 2

Sí No Sí No

30 4 26 1 29

Tabla No. 1. Resultados de la encuesta aplicada a estudiantes de cuarto año.

1El GRUPO MIESA es una empresa compuesta por MIESA INGENIERIA, S.L., MIESA MONTAJE, S.L. y MIESA

MANTENIMIENTO, S.L., dedicada a la Ingeniería, Montaje, Puesta en Marcha y Mantenimiento en los campos de la

Instrumentación y Electricidad. La creación de “MIESA” se realizó en el año 1983 en España, desarrollando los servicios de

puesta en marcha, averías y mantenimiento en las áreas de instrumentación y electricidad.

Introducción

III

La pregunta No 1 arrojó que solo el 13.33% de los estudiantes ha

interactuado con un instrumento inteligente.

De la pregunta No 2 se encontró que solo el 3.33% de los estudiantes ha

trabajado con un PLC real.

Preguntas para los estudiantes de quinto año:

1. ¿Has interactuado con un instrumento inteligente?

2. ¿Has trabajado con un PLC real?

3. ¿Has comunicado una aplicación SCADA con variables de un proceso real?

4. ¿Has configurado elementos en una red industrial real, empleando

cualquier tipo de protocolo de comunicación?

Resultados de la encuesta:

No. Encuestados Pregunta 1 Pregunta 2 Pregunta 3 Pregunta 4

Sí No Sí No Sí No Sí No

21 3 18 7 14 6 15 3 18

Tabla No. 2. Resultados de la encuesta aplicada a estudiantes de quinto año.

La pregunta No 1 arrojó que solo el 14.28% de los estudiantes ha

interactuado con un instrumento inteligente.

De la pregunta No 2 se observa que solo el 33.33% de los estudiantes ha

trabajado con un PLC real.

Según la pregunta No 3 solo el 28.6% de los estudiantes ha comunicado

una aplicación SCADA con variables de proceso.

A la pregunta No 4 solo respondieron afirmativamente el 14.28% de los

estudiantes.

Como resultado del análisis anterior se infiere la siguiente situación problémica.

Los estudiantes de ingeniería en Automática no interactúan activamente con

procesos y dispositivos reales, influyendo esto negativamente en el desarrollo de

las habilidades prácticas necesarias en su desempeño como futuro profesional.

Introducción

IV

De esta situación se deriva el problema de la investigación.

¿Qué elementos y métodos deben considerarse en el diseño de las prácticas de

laboratorio para lograr una interacción activa con procesos y dispositivos reales?

¿Qué aplicaciones desarrollar con este fin?

Objetivos Generales del proyecto

Con este trabajo se pretende sentar las bases para introducir la maqueta de

simulación industrial como una herramienta en el desarrollo del proceso docente

educativo y de investigación, en las prácticas de laboratorios de las Disciplinas de

Instrumentación y Control. Para ello se definen las siguientes tareas:

La configuración de la red industrial utilizando todos los elementos que se

encuentran disponibles en la misma.

Realizar la programación de sus protecciones, las aplicaciones de las

prácticas de Instrumentación y Control, así como la gestión de las mismas.

Realización de una aplicación SCADA que sirva de plataforma para el

desarrollo de las prácticas de laboratorio.

Objetivos específicos

Andreis Alfonso Cordoví. Diseñar las siguientes prácticas de laboratorio:

Control On-Off de nivel (MTA).

Control PID con proceso simulado (MTA).

Control de nivel en un tanque (Control de Procesos l).

Identificación no paramétrica de un proceso de nivel (Modelado y Simul.).

Canal de medición de temperatura (Sistemas de Medición).

Mauricio Villaescusa Cantillo. Diseñar las siguientes prácticas de laboratorio:

Configuración de una red PROFIBUS (Sistemas Automatizados).

Trabajo con SCADA (Sistemas Automatizados).

Parametrización de sensores (Mediciones).

Característica efectiva de las válvulas de control (MTA).

Trabajo con lenguaje de contactos (MTA).

Introducción

V

Hipótesis

Si se diseñan y elaboran prácticas de laboratorio en una maqueta de simulación

industrial, los estudiantes de la especialidad de Automática podrán desarrollar

habilidades de trabajo de carácter experimental con la misma y consolidar los

conocimientos adquiridos en el aula.

Tareas

Teniendo en cuenta los objetivos planteados se definen las siguientes tareas.

Relacionadas con la Maqueta de Simulación Industrial

Estudio general de:

1. Instrumentos de medición.

2. Elementos de acción final.

3. Equipos electromecánicos.

4. PC industrial y PLC con módulos asociados.

5. Conexionado de la red hidráulica.

6. Conexionado de los elementos (red industrial).

7. Estudio del trabajo con WinCC, OPC, Step7 y PCS7.

Desarrollo de aplicaciones de laboratorio.

Relacionadas con las Prácticas de Laboratorio

Definición del basamento teórico.

Definición de las tareas a desarrollar por los estudiantes.

Realización de la documentación correspondiente (incluye guía para el

estudiante y documentación para el profesor).

Resultados esperados

Con este proyecto se pretende preparar la maqueta de simulación industrial, así

como prácticas de laboratorio para el desarrollo satisfactorio de las actividades

docentes de las disciplinas de Instrumentación y Control del Departamento de

Automática y Computación.

El trabajo de diploma está dividido en cinco capítulos:

Capítulo 1: Se analiza la importancia de los laboratorios reales en el proceso se

enseñanza aprendizaje de las carreras de ingeniería. Se expone además el estado

actual de los laboratorios de Automática en otras universidades del mundo.

Introducción

VI

Capítulo 2: Se realiza una descripción de la maqueta de simulación industrial, del

conexionado y los elementos de red.

Capítulo 3: Se presentan los elementos para la configuración de la red

implementada, la programación del PLC con las aplicaciones de los laboratorios, y

las protecciones de la maqueta industrial.

Capítulo 4: Se presentan elementos de la aplicación SCADA desarrolla y la

propuesta de comunicación OPC.

Capítulo 5: Se realiza el análisis de costo-beneficio del proyecto.

Finalmente se presentan las Conclusiones, Recomendaciones y Anexos del

trabajo.

Glosario

Maqueta

Es la reproducción, a tamaño reducido, de un monumento, edificio, complejo

industrial, parque, objeto y, en general, de cualquier cosa física. Normalmente se

utiliza la madera y el plástico, aunque también pueden utilizarse metales

moldeables, barro, arcilla o plastilina.

CPU

Unidad Central de Procesamiento de un controlador programable S7, con

memoria, sistema operativo, e interface para la programación de dispositivos.

PLC (Programmable Logic Controller)

Son controladores electrónicos cuya función se almacena como un programa en la

unidad de control. Tiene la estructura de una PC, que consiste en una CPU con

memoria, módulos de entrada/salida y un bus interno del sistema. El lenguaje de

programación está orientado a necesidades de control.

Programador de dispositivos (PGs)

Son en esencia PCs compactas, portables y diseñadas para aplicación industrial.

Estas se encuentran equipadas con un hardware y software para controladores

programables SIMATIC.

Introducción

VII

Bus de campo o Fieldbus

Es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad que está creado para

remplazar la clásica señal de 4-20 mA que aún se utiliza en muchos de los

sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC (Controladores Lógicos

Programables), instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control.

PROFIBUS

PROcess FIeld BUS, es una norma alemana para buses de campo definida en el

estándar (EN 50170), Define las propiedades funcionales, eléctricas y mecánicas

de un bus serie. Está disponible con los protocolos DP (Distributed Periphery),

FMS (field bus message specification) o TF (technology functions).

PROFIBUS-DP

Este es el sistema de bus PROFIBUS con el protocolo DPv0-v2. Las ET 200 para

salidas y entradas distribuidas se basan en la norma EN50 170, Volumen 2,

estándar PROFIBUS.

PROFIBUS-PA

Este es el sistema de bus PROFIBUS con el protocolo DPv1, basado en la norma

EN50 170. Fabricado especialmente para brindar alimentación a los dispositivos a

través del bus, y para aplicaciones que requieran seguridad intrínseca. PA

(Process Automation) - Automatización de Procesos.

DP/PA Link

Dispositivo que sirve para enlazar elementos de una red PA a DP. Posibilita que

los dispositivos de campo sean direccionados directamente por la CPU como

esclavos del bus PA; los DP/PA Link son transparentes y no necesitan

configuración alguna.

Dirección PROFIBUS

Cada nodo del bus debe recibir una dirección PROFIBUS única que lo identifica en

el bus. Las direcciones de los maestros y esclavos DP están entre 1 y 125.

Máster (Maestro)

Cuando están en posesión del token (testigo), los másteres pueden enviar y pedir

datos de otros nodos activos. La CPU 416-2 DP PCI es un ejemplo de máster DP.

Introducción

VIII

Slave (Esclavo)

Un esclavo puede intercambiar datos con el maestro cuando este se los solicita.

Las ET 200M son un ejemplo de esclavo DP.

Dispositivos de E/S distribuida

Son unidades de entrada/salida distribuidas a cierta distancia de la CPU y que no

se encuentra localizada en la unidad base, ejemplo:

ET 200M, ET 200B, ET 200C, ET 200U

Otros esclavos DP de Siemens u otros proveedores.

Los dispositivos de E/S distribuidas se conectan a un maestro DP vía PROFIBUS-

DP.

Adquisición de datos

Consiste en la recogida, tratamiento y almacenamiento de los datos.

Supervisión

En esta función el computador no efectúa directamente el control de proceso. Se

comunica directamente con los controladores del proceso (autómatas,

reguladores…) y este con los instrumentos de campo por medio de un sistema de

comunicación (comunicación analógica, digital o por una red industrial). La

principal función es la ayuda al operador. El computador suministra algunas

informaciones elaboradas como pueden ser alarmas, tratamiento de fallos y

procedimientos de rearme.

SCD

Sistemas de control distribuido. Consisten en un conjunto de unidades de control

que pueden tomar decisiones autónomas, intercomunicándose por medio de una

red.

Sistemas redundantes

Los sistemas redundantes están caracterizados por el hecho de duplicar los

componentes de automatización más importantes. Si un componente con

configuración redundante falla, no ocurre una interrupción en el procesamiento del

programa.

STEP 7

Herramienta de programación para el desarrollo de programas de usuario para

PLCs SIMATIC S7.

Introducción

IX

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)

Se trata de una aplicación especialmente diseñada para controlar, desde

computadoras, el proceso productivo. Permite comunicación con los dispositivos

de campo y controla el proceso de forma automática desde la pantalla de la

computadora.

WinCC (Windows Control Center)

Sistema SCADA desarrollado por SIEMENS (empresa multinacional de origen

alemán dedicada a las telecomunicaciones, el transporte, la iluminación, a través

de Osram, a la medicina, al financiamiento y a la energía, entre otras áreas de la

ingeniería)

PCS7

SIMATIC PCS 7 está integrado en Totally Integrated Automation (TIA) de

Siemens, una gama completa de productos, sistemas y soluciones coordinados

entre sí para la automatización personalizada en todos los sectores de las

industrias manufactureras, de procesos e híbridas.

WinAC (Windows Automation Center)

Es la solución para el control basado en PC sobre Windows®.

OPC (OLE for Process Control)

Corresponde a un conjunto de especificaciones basadas en los estándares de

Microsoft que cubren los requerimientos de comunicación industrial entre

aplicaciones y dispositivos. Permite a las aplicaciones leer y escribir valores de

proceso y que los datos sean compartidos fácilmente en una red de

computadoras.

PWM (Pulse Wide Modulation)

Modulación por Ancho de Pulso. Es la conversión a señales de frecuencia de

amplitud constante, de valores continuos.

LABVIEW

Software desarrollado por National Instruments orientado a programación visual.

1

Capítulo I. Los laboratorios de Automática en el proceso docente.

CAPÍTULO I

LOS LABORATORIOS DE AUTOMÁTICA

EN EL PROCESO DE ENSEÑANZA-APRENDIZAJE

2

Los laboratorios de Automática en el proceso Enseñanza-Aprendizaje . Capítulo I

1.1 Introducción

En este capítulo se exponen los elementos fundamentales que producen la

relación entre equipos didácticos (como las maquetas industriales) y el proceso de

enseñanza aprendizaje; se muestra la forma en que la introducción de las

tecnologías en la educación ayudan al estudiante a conducir y formar su propio

aprendizaje, siendo a su vez una herramienta que facilita el trabajo del profesor.

Existe además un análisis de cómo el avance tecnológico y científico en el mundo,

y su relación con los equipos del sector industrial, influyen indiscutiblemente en las

instalaciones y equipamiento de las Instituciones Docentes.

Otro de los puntos que se aborda es el estado actual del uso de este tipo de

herramientas para el desarrollo de laboratorios en carreras de ingeniería; así como

las características, elementos y utilidad de las mismas.

3


1.2 Prácticas Docentes

1.2.1 Proceso Enseñanza-Aprendizaje

En la realización de las prácticas docentes no se puede pasar por alto el proceso

enseñanza-aprendizaje en el que se encuentran involucrados alumnos y

profesores; proceso de gran importancia, donde los individuos presentes se

interrelacionan en un ambiente de conocimientos impartidos y adquiridos, en él se

persigue el desarrollo e integración de lo cognitivo, lo afectivo, lo procedimental y

lo conductual. No es suficiente con entrenar alumnos sólo en estrategias

cognitivas y en la adquisición de destrezas procedimentales. Se debe trascender

del usual desarrollo de habilidades, a una concepción que integre la motivación, la

sensibilidad, los valores, las conductas y los modos de ser y hacer.

Dirigiendo los esfuerzos en estas direcciones se puede lograr en los alumnos la

disposición de continuar con su superación en su posterior vida profesional.

“Propiciará también la capacidad de plantear y resolver problemas, predecir

resultados y desarrollar el pensamiento crítico, la imaginación especial y el

pensamiento deductivo; introducirá al mundo social y al mundo natural

entendiendo éstos como procesos dinámicos y en evolución, y formará buenos

ciudadanos que vivan en la democracia y la cultura de la legalidad”. [1]

Resumiendo, se pueden utilizar las palabras de Fernando Cerón Olvera en

relación a la calidad del proceso de enseñanza-aprendizaje en su artículo: “La

práctica docente... Algo importante de abordar”:

“…digamos que habrá calidad en la educación cuando se logre formar algunas

capacidades generales de la inteligencia para pensar por cuenta propia, de modo

lógico, crítico e imaginativo; y se formen además los valores necesarios para la

vida democrática y ciudadana”. [2]

1.2.2 Práctica y Teoría

En las palabras de González Eduardo, M., en su artículo, ¿QUÉ HAY QUE

RENOVAR EN LOS TRABAJOS PRÁCTICOS?, se expone la estrecha relación

que se evidencia entre la teoría y la práctica en la resolución de prácticas de

laboratorio.

4


“No se trata solo de un aprendizaje de métodos o de una ilustración de la teoría, ni

se trata exclusivamente de aplicar esa teoría a la resolución de problemas. Se

trata de dar un significado en el aprendizaje al hecho de que la ciencia es una

actividad teórico-experimental”. [3]

1.2.3 Práctica educativa, concepto

El concepto de práctica educativa se considera de forma abierta, involucrando

desde simples lecciones de corta duración, cursos completos de un año, hasta los

tradicionales cursos a distancia basados en la entrega de contenidos, y la

realización de cuestionarios con aproximaciones centradas en la resolución de

problemas, o el desarrollo de proyectos. [4]

1.2.4 Necesidad de la práctica docente

En el desarrollo de la actividad docente diaria debe tenerse en cuenta, que con el

conocimiento teórico y simulaciones realizadas no se completa la formación de un

profesional en el campo de la ingeniería, pues es necesario que los estudiantes

manipulen componentes y equipos reales, dígase: sensores, transmisores y

autómatas, entre otros.

Desde el punto de vista de la pedagogía, la utilización de tecnologías industriales

en carreras técnicas supone una gran cantidad de posibilidades. Por esto, los

distintos aspectos del proceso enseñanza-aprendizaje de las ciencias (teniendo en

cuenta desde el manejo de conceptos hasta la evaluación, pasando por prácticas

de laboratorio y resolución de problemas) han ido en evolución constante según

las nuevas tecnologías. Prueba de ello es que durante los últimos años se ha

fomentado el desarrollo de numerosos prototipos con fines docentes, tales como:

simuladores, laboratorios virtuales y maquetas industriales.

La utilización de un equipo didáctico permite al estudiante, mediante las prácticas

de laboratorio, una consolidación de los contenidos recibidos en el aula. Con esto,

los alumnos adquieren un primer contacto con los sistemas industriales, pilar

básico en el desempeño satisfactorio de las demás asignaturas y como futuro

ingeniero en Automática.

Por otro lado, la integración teórico-práctica que se logra con el desarrollo de una

práctica de laboratorio, permite a los estudiantes constatar con resultados

5


prácticos, los conceptos teóricos adquiridos y el desarrollo de habilidades de

carácter experimental logrando la conformación como un todo necesario de la

enseñanza universitaria con la realidad del mundo profesional e industrial. Así se

fomenta el desarrollo de habilidades a través de valoraciones e informes de los

resultados obtenidos en relación con la teoría.

A modo de resumen se emplean las palabras de González Eduardo, M. en su

artículo ¿QUÉ HAY QUE RENOVAR EN LOS TRABAJOS PRÁCTICOS? respecto

a las prácticas docentes:

“Se trata, sin duda, de la orientación más ardua y compleja, pero también de la

más prometedora. Es también una posibilidad para que los esfuerzos innovadores

de los docentes y las expectativas de los estudiantes no terminen en nuevas

frustraciones”. [3]

1.2.5 Metodología

Es de marcada importancia, que la metodología que se utilice en el diseño de las

prácticas de laboratorio, aseguren en el alumno la asimilación de los conceptos

aprendidos por medio de la experimentación con equipos reales, de modo que se

exija el estudio y la aplicación de los conocimientos, asegurando el desarrollo de

habilidades.

En general, la investigación desarrollada a favor de mejorar el rendimiento o la

eficacia de la docencia, suele basarse en estos aspectos:

1.2.5.1 Aspectos para el diseño de las prácticas de laboratorio

Organización y planificación: Preparar el trabajo docente y presentarlo a los

alumnos del modo más conveniente para su asimilación.

Medios de expresión y comunicación: Dotar a la materia de un medio

atractivo de presentación.

Fomento de la interacción profesor-alumno: Fomentar la comunicación

bidireccional entre el profesor y el alumno, de forma que el primero obtenga

datos importantes para el seguimiento de la docencia, y el segundo una

atención más personalizada a sus necesidades.

Enfoques dirigidos a algún contenido de la materia: Enfocar contenidos

adaptados concretos a una situación determinada.

6


Motivación al alumno: Conseguir un mayor esfuerzo por parte del alumno

basado en la idea de sustituir obligación por afición.

Limitación de tiempo: Asegurar que el tiempo destinado a las prácticas sea

suficiente para la culminación exitosa de las mismas.

Coordinación: Asegurar la coordinación que requiere la parte teórica con la

práctica. No se deben exigir en el laboratorio conceptos no explicados en

teoría, ni se debe dejar pasar mucho tiempo entre lo enseñado en teoría y

su puesta en práctica.

Evolución de la complejidad: Las prácticas deben ir aumentando

gradualmente, evitando grandes saltos teóricos entre una práctica y la

siguiente. [5]

1.2.5.2 Organización de las prácticas

Los estudiantes deben acudir a la práctica de laboratorio debidamente preparados.

Esto significa haber estudiado la teoría correspondiente en el texto de la

asignatura, y las indicaciones particulares para la práctica que corresponda. La

práctica será realizada en grupos cuyo tamaño se indicará para cada una según

las diferentes tareas necesarias para su ejecución.

Al comienzo de la práctica se darán las orientaciones pertinentes, se debatirán las

hipótesis y los experimentos que realizará cada subgrupo, se distribuirán las

tareas a desarrollar entre los estudiantes y se demostrará, si fuese necesario, el

uso de los equipos e instrumentos que serán utilizados, aunque esto último deberá

verse antes de la práctica. Si el docente lo considera necesario se realizarán por

escrito preguntas iniciales, o mediante el debate de las propuestas de los

experimentos que realizará cada colectivo, se podrá evaluar su preparación y

estudio independiente.

Durante la realización de la práctica por los estudiantes, el docente controla que

las orientaciones se cumplan adecuadamente y los estudiantes deben atender sus

indicaciones, así como mantener una estricta disciplina, con el mayor cuidado en

el uso de la base material.

El docente estará presente durante la realización de las mismas para aclarar

cualquier duda que se presente, y orientar de forma correcta el desarrollo de la

7


misma. Es bueno aclarar que la máxima responsabilidad de la realización de la

práctica corresponde al grupo de estudiantes.

Al final de la práctica los estudiantes intercambiarán la información recopilada por

cada uno de ellos, con lo cual confeccionarán de forma individual o colectiva,

según sea el caso, el informe que se solicita, que se deberá entregar en el propio

laboratorio o en la fecha que establezca el docente.

En la evaluación de la práctica de laboratorio se tendrá en cuenta la preparación

previa del estudiante, la calidad en la realización de los experimentos y la del

informe final. (Anexo 1)

1.3 Estado del Arte

1.3.1 Los Equipos Didácticos para la enseñanza y entrenamiento técnico en Automatización: Una visión mundial

En el mundo existen dos variantes bien definidas para el entrenamiento de

estudiantes de carreras de ingeniería, son ellas:

Montajes industriales para capacitación.

Equipos didácticos industriales para capacitación.

A continuación se exponen las características fundamentales de cada uno de

estos elementos.

1.3.1.1 Montajes industriales para capacitación

En la actualidad los montajes industriales son un medio físico, mediante el cual se

entrena a los alumnos para el desarrollo de habilidades. Pero son muchas las

ocasiones en que este entrenamiento se realiza con estos equipos montados

temporalmente, de forma insegura y de difícil operación.

Los montajes industriales para capacitación, una vez instalados, presentan

diversas desventajas, entre ellas: [6]

Pueden presentarse riesgos para el equipo y/o el alumno al no contar con

las medidas mínimas de seguridad.

Pérdida de tiempo en la realización de prácticas en la instalación provisional

de los equipos y su acondicionamiento, por ejemplo: cableado, sujeción de

elementos, etc.

8


Nulas o pocas posibilidades de simulación de eventos industriales reales.

Genera poco interés en los alumnos para la realización de prácticas.

Los montajes industriales para capacitación poseen una vida útil corta

debido a que no son diseñados para la enseñanza.

1.3.1.2 Equipos didácticos industriales para capacitación

Hoy pueden encontrarse empresas dedicadas al diseño y fabricación de equipos

didácticos industriales para el entrenamiento y la capacitación de estudiantes o

personal técnico. Es tal el alcance y la versatilidad de estos equipos diseñados

con fines docentes, que son capaces de simular procesos industriales y sus fallas

más comunes, cuentan con un diseño atractivo, una programación de prácticas ya

establecidas y con objetivos claros ya predefinidos. Todo esto permite una mayor

productividad en el proceso de enseñanza y enriquece la formación de los

estudiantes.

Entre los principales fabricantes están:

Energy Conceps INC.

Edutelsa.

LaVolt.

Todos estos ofrecen equipamiento para talleres y laboratorios de organismos que

desempeñan actividades docentes de niveles medio y superior, aportando

diferentes tipos de innovaciones y con servicios debidamente actualizados; se

dedican a la fabricación, comercialización, instalación y servicio de equipos y

programas didácticos para la capacitación del trabajo industrial. [6]

Las ventajas que pueden ofrecer son:

Capacitación amena y rápida.

Mayor seguridad.

Practicas Planeadas.

Soporte técnico definido.

Entre sus desventajas pueden mencionarse las siguientes:

Costo inicial muy alto.

Necesidad de un instructor capacitado.

Dependencia de una empresa.

9


1.3.2 Los laboratorios técnicos de Automática y Control en el mundo

Durante los últimos años en instituciones docentes de nivel superior se ha venido

trabajando e investigando la posibilidad de desarrollar nuevas estrategias

docentes en el ámbito de la Automática, ya que, en general, los estudiantes se

decepcionan al no poder aplicar sus conocimientos teóricos en la práctica. Esta

situación viene dada por el abuso en el marco teórico de la simplificación de los

problemas, haciéndose imperante la necesidad de proporcionar una visión

tecnológica de los mismos al estudiante.

Los resultados han aparecido, pues hoy son muchas las universidades del mundo

que cuentan con laboratorios de Automática debidamente diseñados y equipados,

siguiendo los últimos adelantos tecnológicos que se han sucedido en la

automatización de procesos. Esto permite elevar significativamente el nivel de

preparación de sus estudiantes, pues pueden enfrentarse a situaciones prácticas

con más frecuencia; incluso ya es una realidad objetiva la posibilidad de tener

acceso remoto desde Internet a estas instalaciones, gracias al desarrollo de las

redes de computadoras.

Son diversas las aplicaciones que pueden encontrarse, así como el grado de

complejidad de las mismas, todo depende del objetivo para el cual ha sido

preparado el laboratorio y del nivel de actualización o disponibilidad que exista en

los equipos didácticos de la institución. Entre ellas pueden mencionarse

aplicaciones para control de nivel, velocidad de motores, presión, etc., y existen

integrados elementos como:

Buses de campo.

Aplicaciones SCADA para la supervisión y monitorización.

Instrumentos de medición y otros dispositivos inteligentes.

Modernos Protocolos de Comunicación para la industria como PROFIBUS,

Modbus, etc.

Acceso remoto a estos laboratorios desde Internet.

10


1.3.2.1 Laboratorio de Automática de la Universidad de León en España

Este laboratorio está compuesto por diferentes módulos; en ellos se encuentran

representados de forma didáctica, distintos procesos o situaciones que pueden

ser encontrados por los estudiantes en la industria. Cada práctica se encuentra

implementada sobre maquetas didácticas, integradas por instrumentos y

dispositivos industriales. Se dispone además de la posibilidad de tener acceso

remoto al laboratorio desde locales debidamente habilitados con este propósito;

así los estudiantes tienen la posibilidad de acceder a la instalación en cualquier

momento. [7]

A continuación se ofrecen algunos detalles.

a-) Accionamientos de frecuencia variable

Este laboratorio pone a disposición del estudiante una aplicación que permite

trabajar directamente con accionamientos basados en convertidores de PWM.

Estos equipos didácticos están constituidos por un variador de frecuencia

MICROMASTER, un motor de baja potencia con sistema de frenado mecánico y

un encoder incremental de 1024 pulsos en el eje que permite cerrar lazos de

control. [7]

Figura No. 1.1. Maqueta para accionamientos de frecuencia variable.

b-) Maquetas industriales para control de procesos

Esta aplicación está diseñada con equipos específicos que dan una visión más

real de los procesos industriales, ya que a través de la instrumentación que

incorpora pueden manejarse señales eléctricas, dando lugar a lo que se denomina

Maqueta Industrial.

11


El laboratorio consta de dos alternativas:

Variante que permite implementar procesos industriales manejando cuatro

variables, son ellas: temperatura, nivel, presión y flujo.

Variante que permite desarrollar estrategias de control avanzado sobre la

variable nivel.

Todos los instrumentos y accionamientos de esta maqueta son industriales, y

configurables a través del protocolo de comunicación industrial HART; es posible,

además, controlar las señales eléctricas mediante SCD, PLCs o una tarjeta de

adquisición de datos con una PC.

Figura No. 1.2. Maqueta industrial para control de procesos.

c-) Planta piloto Industrial

Esta maqueta permite realizar prácticas sobre un reactor de 50 litros. En ella se

pueden desarrollar estrategias de control avanzado, supervisión de procesos y

diagnóstico de fallos, trabajando sobre variables como: presión, nivel, PH,

temperatura y conductividad. La maqueta cuenta con un circuito de proceso que

tiene recirculación mediante una bomba con accionamiento de frecuencia variable.

Figura No. 1.3. Planta piloto industrial.

12


d-) Características estructurales del laboratorio en general

El nivel de control del laboratorio está conformado por una red Ethernet industrial y

PLCs; el enlace a nivel de campo con los variadores de velocidad se realiza

mediante PROFIBUS DP, estos variadores se encuentran como esclavos de la red

PROFIBUS. El nivel de planta lo componen PCs conectadas a una red Ethernet

que supervisan y monitorizan el proceso gestionando su evolución.

Figura No.1.4. Estructura general del laboratorio.

1.3.2.2 Laboratorio de Automática de AIP-PRIMECA RAO

Este laboratorio se encuentra conformado por diferentes módulos, todos

accesibles desde aplicaciones Web; en cada uno se puede realizar el control

automático de motores, así como la manipulación de variadores de velocidad y

actuadores electroneumáticos utilizando PLCs a través de buses de campo. [8]

Características generales de los módulos

Cada módulo ilustra la instalación de un PLC, un manipulador de movimiento

(Variador de velocidad) y un conjunto de entradas y salidas sobre distintos buses

de campo.

Los elementos principales que componen los módulos son:

Área de alimentación. (Circuitos de protección y accionamientos, Fuente

de AC/DC).

Área de control. Posee un PLC que por una rama está conectado a un

servidor Web mediante una red Ethernet. En la otra rama está conectado a

una red de campo en la que se encuentran conectados los sensores y

actuadores de la maqueta. Además en esta área se encuentra un panel

como interface HMI.

13


Área de campo. Contiene las entradas y salidas distribuidas y los

elementos que se conectan a ella como: sensores, actuadores, encoders,

motores de arranque y variadores de frecuencia. (Pueden conectarse

además otros dispositivos).

Figura No. 1.5. Diseño estructural del laboratorio.

Algunos módulos del laboratorio (AIP-Primeca RAO)

Figura No. 1.6. Módulo con red PROFIBUS DP (Izquierda), con red Modbus TCP/RTU (Derecha).

Acceso remoto al laboratorio

Para acceder al laboratorio cada profesor o tutor debe registrarse con anterioridad

en una sección de administración de redes. Luego el profesor puede conectarse a

la intranet y ver cuáles son los dispositivos que tendrá disponibles por un tiempo

de 60 minutos máximo. El profesor en este momento tiene la facultad de cambiar

la contraseña de acceso de los estudiantes. [8]

Luego es posible que los estudiantes se conecten y comiencen a interactuar con

una aplicación Web que dispone de:

Visualización de la maqueta mediante Webcam.

Archivos de ayuda de toda la documentación correspondiente.

Interface grafica de la aplicación.

14


Figura No. 1.7. Aplicación Web para acceso remoto al laboratorio.

Arquitectura de la red

Desde esta aplicación se puede programar el PLC del módulo, a través del

software correspondiente (Schneider Electric PL7-Pro), monitorizar el proceso

mediante la interface de video y desarrollar supervisión del proceso mediante los

softwares Vijeo Designer or Citect Scada. Toda la información fluye utilizando un

servidor con Windows® Server 2003 al que se conectan las distintas estaciones.

Figura No. 1.8. Arquitectura de la red de acceso remoto al laboratorio.

1.3.2.3 Laboratorio de Automática en Telemark University College, Noruega

Este laboratorio cuenta con diferentes prácticas implementadas, estas recogen

diversos elementos relacionados con la automática y el control. Existe

comunicación del proceso con PCs a través del software LABVIEW con servidor

OPC, se cuenta también con simulaciones implementadas sobre este programa y

la posibilidad de interactuar con el proceso utilizándolas.[9]

http://www.hit.no/tf

15


A continuación se muestran algunas de las prácticas que existen implementadas

en el laboratorio.

a-) Control de procesos de primer orden con retardo

Esta práctica ha sido implementada sobre la simulación en LABVIEW de un

proceso de primer orden con retardo, se utilizan controladores “Fuji PYX5 y PYX9

PID” en el lazo y además una interface de entrada/salida USB-6008 de National

Instruments para comunicar la simulación del proceso (LABVIEW + PC) con el

controlador (Fig. 1.9). [9]

Figura No. 1.9. Comunicación Labview/Controlador PYX9 empleando el dispositivo USB 6008 de

National Instruments.

b-) Control de taladro empleando un SIMATIC PLC

Esta práctica simula el control de un taladro utilizando un PLC de Siemens (S7-

300), el proceso es simulado en LABVIEW y se comunica con el PLC mediante un

servidor OPC del cual la PC que ejecuta el software (LABVIEW) es cliente. La

práctica posee una interface gráfica diseñada para monitorizar de cierta manera el

comportamiento del equipo según los parámetros de simulación. [9]

Figura No.1.10. Aplicación para el control de un taladro empleando servidor OPC.

16


c-) Modelado matemático del comportamiento del nivel en un tanque

La presente práctica de laboratorio consta de dos partes; la primera es el

modelado de matemático del proceso de variación de nivel empleando ecuaciones

diferenciales, y la segunda es la identificación del proceso empleando datos

obtenidos de la variación de flujo, que es producida por una bomba de agua. De

aquí debe obtenerse un modelo discreto del comportamiento de nivel en el tanque

de la maqueta.

El proceso de identificación se desarrolla una vez obtenidos los datos de variación

de nivel a partir de la manipulación del accionamiento de la bomba, para obtener

el modelo correspondiente se utiliza un programa de LABVIEW que emplea los

datos almacenados y devuelve un modelo matemático discreto. Más tarde se

orienta a los estudiantes diseñar un sistema de control utilizando el modelo

obtenido. [9]

Figura No. 1.11. Maqueta para control de nivel en un tanque.

1.3.3 Análisis del estado del Arte

En las secciones anteriores se ha visto que existe un gran desarrollo en los

laboratorios de Automática para estudiantes de ingeniería. Este factor influye

directamente en la preparación del alumno y la superación del profesor, ya que se

tiene la posibilidad de formar al profesional integralmente en la práctica y la

teoría. Por tanto, la razón principal de este proyecto, es la necesidad de sentar las

bases para que el laboratorio de Automática logre reunir las características antes

mencionadas.

17

Capítulo II. Descripción de la maqueta y definición de los laboratorios

CAPÍTULO II

DESCRIPCIÓN DE LA MAQUETA Y

DEFINICIÓN DE LOS LABORATORIOS

Descripción de la Maqueta y definición de los laboratorios . Capítulo II

18

2.1 Introducción

La maqueta de simulación industrial del laboratorio de Automática e

instrumentación, tiene incorporados los elementos más novedosos que existen

hoy en el campo de la Automática. La misma cuenta con conexiones redundantes,

mediante bus de campo, y una gama de equipos e instrumentos de última

tecnología.

En este capítulo se realiza una breve caracterización de la maqueta desde los

puntos de vista siguientes:

Físico. Se describen los elementos atendiendo a su geometría.

Conexiones. Se explican las diferentes vías de circulación del fluido y la

red de tuberías.

Software. Se señala qué programas se utilizan y el propósito de los

mismos.

Arquitectura de la red industrial. Se expone el conexionado de red que

viene implementado en la maqueta.

De esta manera se pretende dar a conocer los elementos básicos que

caracterizan la maqueta y comprender cómo funcionan.


19

2.2 Módulo de equipos e instrumentos

El módulo de equipos e instrumentos está formado por un conjunto de vigas de

acero inoxidable unidas en forma de ortoedro apoyado sobre cuatro ruedas (Fig.

2.1). Dentro de esta estructura encuentran soporte todos los elementos que

componen este módulo, dígase: transmisores, válvulas, tanques, tuberías,

cableado, etc. El volumen que ocupa esta sección es de 1.62m3.

Figura No. 2.1. Módulo de equipos e instrumentos.

2.2.1 Elementos físicos

Físicamente la maqueta está compuesta por:

Dos tanques cilíndricos de acrílico de 0.172 m3, instalados verticalmente y

conectados a una red de tuberías de 0.003175 m (1/8”) de diámetro interior, que

proporciona, a través de válvulas manuales (tipo bola) instaladas, diferentes

interconexiones y vías de recorrido del fluido en función del estado de apertura de

las mismas. Cada tanque posee dos tomas de entrada y una de salida; esta última

puede comunicarse con la del tanque adyacente, manipulando una válvula que las

une o las aísla.

Dos bombas centrífugas verticales que ocupan un volumen de 0.017 m3,

estas se encargan de impulsar el líquido depositado en los tanques a través de la

red de tuberías. Cada bomba puede alimentar un solo tanque o a ambos al mismo

tiempo, todo depende del estado de las válvulas manuales que determinan el

sentido de circulación del fluido. (Anexo 2.1)


20

Un compresor de aire de instrumentos con tanque cilíndrico para

almacenamiento, instalado horizontalmente alimenta el actuador de la válvula de

control, el mismo ocupa en volumen de 0.035m3. Este compresor se conecta a un

reductor de presión que alimenta al posicionador de la válvula de control a través

de una tubería plástica. En la tubería se encuentra un presostato pequeño para

proteger el actuador de anomalías en la presión de alimentación. (Anexo 2.2)

Un transmisor de presión diferencial que ocupa un volumen de 0.0045 m3,

el mismo se encuentra ubicado en la parte inferior de uno de los tanques. Este

instrumento tiene conectada una de sus tomas a la salida del tanque y la otra está

abierta al ambiente (atmósfera). (Anexo 2.3)

Un transmisor electromagnético de flujo que está dividido en dos secciones:

1. Elemento primario de medición: Está instalado en la línea entrada de

uno de los tanques y tiene un volumen de 0.0046 m3. (Anexo 2.4)

2. Elemento indicador transmisor: Se encuentra conectado al elemento

primario de medición mediante cables y está situado en la periferia del área

industrial de la maqueta, así es posible facilitar la visibilidad y el acceso de

los usuarios. El volumen que ocupa es de 0.0051 m3. (Anexo 2.5)

Un transmisor de flujo tipo Coriolis que se encuentra instalado

verticalmente, tiene forma cilíndrica y su volumen es de 0.0024 m3. Este elemento

se encuentra en la línea de alimentación de uno de los tanques en la cual realiza

la medición de caudal. (Anexo 2.6)

Dos presostatos pequeños que se encuentran instalados en las líneas de

alimentación de cada uno de los tanques, estos consumen un espacio muy

reducido. (Anexo 2.7)

Una válvula de control con posicionador inteligente que está ubicada en la

entrada de uno de los tanques para regular el flujo. La válvula tiene un volumen de

0.012 m3 y la circulación del fluido por el cuerpo de la válvula es en dirección

horizontal. (Anexos 2.8 y 2.9)

Dos válvulas de seguridad que se encuentran en la entrada de cada tanque.

(Anexo 2.10)


21

Un distribuidor de campo donde se concentra el cableado PA para llevarlo

al Módulo de Procesamiento. (Sección 2.4.4.1)

Una caja de conexiones donde se realiza la concentración del cableado

para establecer la comunicación con el Módulo de Procesamiento, esta ocupa un

volumen de 0.028 m3.

2.2.2 Conexión de los elementos

La conexión entre los elementos del Módulo de Equipos e Instrumentos se

explicará empleando la figura 2.2, y es la siguiente:

Tomando como punto de partida la salida del tanque 1, se encuentra, como

primer elemento, el divisor 1, dispositivo que conecta en su salida A un sensor de

presión diferencial que toma la presión atmosférica como señal de referencia y

que se encarga de medir el nivel en el tanque 1. En la salida B de este elemento

se encuentra el divisor 2 que conecta en sus salidas A y B las válvulas de bola

manuales 1 y 2 respectivamente; siguiendo de la válvula 2 se encuentra el divisor

3, dispositivo que conecta en su salida A, la válvula manual 3, que brinda la

posibilidad de la salida del fluido al exterior; por otro lado, en la salida B de este

último elemento divisor y siguiendo por la tubería, se encuentra un elemento de

drenaje en forma de Y, que tiene conectada su salida A en la entrada de la bomba

1.

Siguiendo de la salida de la bomba 1, se encuentra el divisor 4, que conecta su

salida A a un divisor (5), que tiene como función, habilitar una toma en la tubería

para un sensor-transmisor (presostato) de presión en línea (1); en la otra salida de

este divisor, se encuentra una válvula de seguridad que por último se conecta a la

entrada B del tanque 1. Retornando al dispositivo divisor 4, pero en este caso por

la salida B, se encuentra la válvula manual 4 que se conecta con el divisor 6; en la

salida A de dicho elemento (divisor 4), se encuentra la válvula manual 5,

brindando la posibilidad de la salida del fluido al exterior; continuando con la salida

B de este último divisor, se encuentra un conjunto sensor-transmisor de Coriolis

que conecta su salida a la entrada B del tanque 2. Partiendo de la salida del

tanque 2, se encuentra el divisor 7, cuya salida A se conecta directamente con la

válvula manual 1; en la salida B de este último divisor se tiene la válvula manual 6

y seguidamente se tiene el divisor 8, dispositivo que conecta en su salida A la


22

válvula manual 7, brindando la posibilidad de salida del fluido al exterior;

continuando con la salida B del elemento divisor 8, se dispone de un elemento de

drenaje en forma de Y que conecta su salida A en la entrada de la bomba 2.

Siguiendo con la salida de la bomba 2, se encuentra el divisor 9, cuya salida A se

conecta a un sensor-transmisor electromagnético de flujo, que sigue en su salida

con la conexión de una válvula de control con posicionador electroneumático y

actuador de diafragma, que desemboca finalmente, en la entrada A del tanque 1.

Retornando al elemento divisor 9, en la salida B, se tiene el elemento divisor 10,

que tiene como objetivo brindar una toma en la tubería para un sensor-transmisor

de presión en línea (presostato 2); en la otra salida de este divisor se encuentra

una válvula de seguridad que por último se conecta a la entrada A del tanque 2.

Leyenda:

Figura No. 2.2. Conexionado de los elementos.

Elementos 1

Elementos 2

Elementos 5

Elementos 6

Elementos 9

Elementos 10Elementos 3

Elementos 4

Elementos 7

Elementos 8


23

2.3 Módulo de Procesamiento

Este módulo es un armario que contiene todos los dispositivos de adquisición,

procesamiento de datos, comunicaciones y visualización del estado del proceso

(Fig. 2.3). Tiene forma de ortoedro con un volumen de 0.512 m3 y se enlaza con

el Módulo de Equipos e Instrumentos mediante cableado.

Figura No. 2.3. Módulo de procesamiento Superior (izquierda) e Inferior (derecha).

El armario está dividido en dos secciones:

Una cámara superior donde se encuentran instalados los dispositivos que

se encargan del control, monitorización y supervisión del estado de la

maqueta.

Una cámara inferior donde están instalados los dispositivos y módulos de

E/S, comunicaciones, variadores de velocidad, fuentes de alimentación, etc.

2.3.1 Elementos físicos

2.3.1.1 Cámara Superior

Una PC Industrial que tiene la posibilidad de supervisar el proceso y comunicarse

con los elementos del módulo industrial, para ello emplea una CPU S7 416 2DP

PCI para WinAC con procesador de comunicación CP 5611 conectada PROFIBUS

DP. Esta CPU se conecta en el slot PCI de dicha PC industrial. (Anexos 2.11 y

2.12)

2.3.1.2 Cámara Inferior

Dispositivos de accionamiento (Relés, Breakers, Fan. etc.).

Dos variadores de velocidad para manipular las bombas. (Anexo 2.13)


24

Una regleta inteligente (ET 200M con fuente de alimentación) instalada para

descentralizar los módulos de E/S digitales y analógicos. Estos se encargan de

recoger las señales del Módulo de Equipos e Instrumentos. (Anexo 2.14)

Módulos de conversión DP/PA para comunicar los dispositivos de campo con

la CPU. (Anexo 2.15)

2.4 Software de aplicación

La PC industrial tiene como sistema operativo Microsoft® Windows XP® SP2.

Para desarrollar tareas de ingeniería se encuentra equipada con la aplicación

SIMATIC PCS7 v7.0; este paquete constituye el entorno de desarrollo de

“SIEMENS” que integra las soluciones software (WinCC, STEP 7, ROUTE

CONTROL, SIMATIC Logon, SIMATIC NET, SIMATIC PDM, PC Based Control)

brindadas por dicho fabricante para la automatización y el control.

2.4.1 SIMATIC PCS 7

El SIMATIC PCS 7 es un sistema de control de procesos avanzado, que ofrece

una arquitectura modular y abierta, potentes tecnologías básicas, componentes de

hardware y software estándares tomados de la última gama SIMATIC de Siemens

y sofisticadas funciones de control e instrumentación. Sus principales

características son: [10]

Grandes prestaciones, flexibilidad y escalabilidad.

Gestión homogénea de datos, comunicación y configuración.

Sistema abierto sobre la base de tecnologías básicas y estándares

industriales internacionalmente establecidos.

Potente ingeniería a escala de sistema, conducción fácil y segura del

proceso.

Manejo y visualización confortables, redundancia a todos los niveles y

conexión directa a tecnologías de la información.

Soluciones de automatización de seguridad positiva.

Amplia integración de buses de campo.

Soluciones flexibles para procesos por lotes e integración de transportes de

material (Route Control).


25

Gestión de activos (diagnóstico, reparación y mantenimiento preventivos).

Todas las labores de ingeniería para el control y la automatización se llevan a

cabo en el Administrador SIMATIC.

2.4.1.1 Administrador SIMATIC

El Administrador SIMATIC es la plataforma de integración para el “Engineering

Toolset” y la base de configuración para toda la ingeniería del sistema de control

de procesos SIMATIC PCS 7. En él se administra, archiva y documenta el

proyecto SIMATIC PCS 7. Usando el “Engineering Toolset”, ajustado a las

necesidades tecnológicas, bloques y esquemas preconfigurados, los tecnólogos y

técnicos de procesos y de fabricación pueden realizar la ingeniería trabajando con

los elementos que les son habituales. El hardware necesario para un proyecto

SIMATIC, como son controladores, componentes de comunicación y periferia del

proceso, está guardado en un catálogo electrónico y se configura y parametriza

con la herramienta “HW Configuration”. [10]

2.4.1.2 Ventajas

Asimismo, cada usuario disfruta de las ventajas que resultan del uso de

componentes SIMATIC estándares como: [10]

Reducidos costos en hardware e ingeniería, y ahorro de logística,

mantenimiento y formación.

Calidad y estabilidad acreditadas.

Definición y selección fácil y rápida de los componentes del sistema.

Disponibilidad global.

El proyecto se desarrolló utilizando el paquete PCS 7 instalado en la PC. A través

del SIMATIC Manager se programaron las aplicaciones (configuración de la red, y

programación del PLC) en STEP 7 v5.4; y para la aplicación SCADA se utilizó el

WinCC v6.2 incluido en dicho paquete.

2.5 Arquitectura de la red Industrial

2.5.1 Buses de campo

La génesis de los buses de campo está sustentada por la necesidad de

implementar tecnologías modernas que permitan eliminar cableado, acceder a la


26

mayor cantidad de información posible de manera segura y confiable ejecutando

comandos de control y descarga de configuraciones, todo en forma rápida y por un

mismo medio.

El eliminar cableado implicó en forma inmediata eliminar considerablemente

puntos de falla con un beneficio adicional referido al aspecto impecable que toman

los gabinetes de control, al mismo tiempo el acceder a mayor cantidad de

información de equipos instalados en la periferia permite optimizar el desempeño

del proceso, por otro lado al ser la comunicación bidireccional entre maestros y

periferias además es posible implementar medidas de mantenimiento efectivas.

Al desaparecer el riesgo del punto de falla por el excesivo cableado, las plantas se

ven enfrentadas a un nuevo desafío: implementar una red de control de calidad,

donde ya no solo el maestro y el esclavo son los responsables de un buen

funcionamiento, sino también una buena instalación, que va desde cómo se corta

y aterriza un cable de comunicación, como se segmenta una red, como se

optimiza la señal por efecto de las distancias, como se arma un conector hasta el

cierre adecuado del bus. [11]

2.5.1.1 Concepto de BUS

Se puede considerar a un “bus” como un conjunto de conductores conectando

conjuntamente uno o más circuitos para permitir el intercambio de datos. Contrario

a una conexión punto a punto donde solo dos dispositivos intercambian

información, un “bus” consta normalmente de un número de usuarios superior,

además generalmente un “bus” transmite datos en modo serie. Para una

transmisión serie es suficiente un número de cables muy limitado, generalmente

con dos o tres conductores y, la debida protección contra las perturbaciones

externas para permitir su tendido en ambientes de ruido industrial. [12]

2.5.1.2 Ventajas de un bus de campo

El intercambio se lleva a cabo por medio de un mecanismo estándar.

Flexibilidad de extensión.

Conexión de módulos diferentes en una misma línea.

Posibilidad de conexión de dispositivos de diferentes procedencias.

Distancias operativas superiores al cableado tradicional.


27

Reducción masiva de cables y costo asociado.

Simplificación de la puesta en servicio.

2.5.1.3 Desventajas de un bus de campo

Necesidad de conocimientos superiores.

Inversión de instrumentación y accesorios de diagnóstico.

Costos globales inicialmente superiores.

2.5.2 PROFIBUS

2.5.2.1 Generalidades del PROFIBUS

Principales elementos [10]

Transmite pequeñas cantidades de datos.

Cubre necesidades de tiempo real.

Número de estaciones bajo (32 sin repetidores, 127 con repetidores máx.).

Fácil configuración: Plug & Play.

Permite integrar dispositivos inteligentes y otros “menos inteligentes”.

Protocolos simples.

Propone dos tipos de estaciones:

1. Maestras (activas): pueden controlar el bus e iniciar transferencias

2. Esclavas (pasivas): sólo pueden reconocer mensajes o responder a

peticiones remotas.

Configuración mínima:

1. Dos maestros.

2. Una estación maestra y una esclava.

Topología de la red en bus lineal o árbol con terminadores

Transmisión serie sobre distintos medios, generalmente RS-485.

Ofrece redundancia opcional mediante un segundo medio de transmisión.

Servicios de transferencia:

1. Acíclicos:

Envío de datos con acuse de recibo o sin él.

Petición de datos con respuesta.

2. Cíclicos:

Polling (Sondeo).


28

2.5.2.2 Familia PROFIBUS

La familia PROFIBUS está compuesta por FMS, DP y PA (Tabla 2.1). [13]

PROFIBUS – FMS (1) PROFIBUS – DP (2) PROFIBUS – PA (3)

Automatización de Propósito

General

Automatización de Planta Automatización de Proceso

Amplio rango de aplicaciones

Nivel de célula

Flexibilidad

Tareas de comunicación complejas

Comunicación Multi-Maestro

Alta velocidad

Plug & Play

Eficiente y barato

Comunicación de sistemas de control y E/S distribuidas a

nivel de dispositivo

Orientado a la aplicación

Alimentación de los dispositivos a través del bus

Seguridad intrínseca

Tabla No. 2.1. Familia del PROFIBUS.

1- PROFIBUS- Fieldbus Messaging Specification (FMS).

2- PROFIBUS-Distributed Periphery (DP).

3- PROFIBUS-Process Automation (PA).

2.5.2.3 Datos técnicos del PROFIBUS

PROFIBUS DP PROFIBUS PA

Transmisión de datos RS-485 RS-485 IS Fibra óptica MBP

Velocidad de transmisión 9.6 kbits/s...12 Mbits/s 9.6 kbits/s...12 Mbits/s 9.6 kbits/s...12 Mbits/s 31.25 kbits/s

Cable Bifilar blindado Bifilar blindado Plástico y multimodo sencillo con fibra de

vidrio

Bifilar blindado

Modo de operación EEx(ib) EEx(ia/ib)

Topología Lineal, árbol línea Anillo, estrella, línea Anillo, estrella, línea

Estaciones por segmento 32 32 - 32

Estaciones por red ( repetidor)

126 126 126 -

Longitud del cable por segmento en función de la

velocidad de transmisión

1200m (93.75 kbits/s) 1000m (187.5 kbits/s)

400m (500 kbits/s) 200m (1.5 Mbits/s) 100m (12 Mbits/s)

1000m (187.5 kbits/s) 400m (500 kbits/s)

200m (1.5 Mbits/s)

Máx. 80m (plástico) 2-3 Km (multimodo

con fibra de vidrio) ≥ 15 Km con 12 Mbits/s (modo sencillo

con fibra de vidrio)

1900 m: estándar

1900 m: EEx(ib) 1000 m:

EEx(ia)

Repetidor para refrescar señales en redes RS-485

Máx. 9 Máx. 9 No relevante No relevante

Tabla No. 2.2. Datos técnicos del PROFIBUS (Familias disponibles en la maqueta).

2.5.2.4 Algunas ventajas de PROFIBUS

Interoperabilidad

Es la posibilidad de instalar dispositivos de distintos fabricantes en una misma red

sin que se produzcan problemas de compatibilidad. La aprobación según el

Standard PROFIBUS asegura que cualquier dispositivo PROFIBUS puede ser

integrado independientemente del fabricante, de este modo se elimina la lista de

“proveedores favoritos” con las consiguientes ventajas en cuanto a disponibilidad

de dispositivos. [11]


29

Redundancia

En aquellas plantas en las que una parada en el sistema de control del proceso

suponga pérdidas importantes o incluso circunstancias peligrosas, se hace

necesaria una elevada disponibilidad del sistema de control, la cual se consigue

por medio de arquitecturas redundantes y tolerantes a fallas. En estas situaciones

también la red de control debe proporcionar una máxima disponibilidad, por medio,

entre otras medidas, de configuraciones redundantes en el bus de campo.

PROFIBUS ofrece una elevada disponibilidad desde la red de alta velocidad y

llegando incluso hasta el nivel de instrumentación de campo en PROFIBUS PA,

gracias a la redundancia y a la configuración tolerante a fallas en PA por medio de

la arquitectura en anillo. [11]

2.5.3 Topologías de red

Se le llaman topologías de red a las diferentes estructuras de interconexión en que

se pueden organizar las redes de transmisión de datos entre dispositivos. Cuando

componentes de automatización autónomos tales como sensores, actuadores,

autómatas programables, robots, etc., intercambian información, estos deben

interconectarse físicamente con una estructura determinada. Cada topología de

red lleva asociada una topología física y una topología lógica. La primera

(topología física), es la que define la estructura física de la red, es decir, la manera

en la que debe ser dispuesto el cable de interconexión entre los elementos de la

red (Fig. 2.4). La topología lógica es un conjunto de reglas normalmente asociada

a una topología física, que define el modo en que se gestiona la transmisión de los

datos en la red. La utilización de una topología influye en el flujo de información

(velocidad de transmisión, tiempos de llegada, etc.), en el control de la red, y en la

forma en la que esta se puede expandir y actualizar.

Figura No. 2.4. De izquierda a derecha: Topologías de anillo, árbol, estrella y bus.


30

2.5.4 Detalles de la red implementada en la maqueta

La red industrial que se encuentra implementada se basa en el estándar

PROFIBUS; DP para un nivel superior y PA para los dispositivos del campo.

En la maqueta de simulación se cuenta con una topología del tipo, anillo

PROFIBUS PA (Fig. 2.6). El anillo PROFIBUS PA se conecta a dos acopladores

DP/PA FDC 157-0 de una transmisión entre redes DP/PA, que se utiliza en un

PROFIBUS DP simple. La comunicación redundante PROFIBUS PA de bus de

campo que ha desarrollado “Siemens Automation and Drives (A&D)” permite

incrementar la disponibilidad de la planta y evitar paros no programados por

roturas o errores. En el diseño se ha incluido un acoplador DP/PA redundante y un

distribuidor activo de campo AFD (Active Field Distributor), aptos para configurar

topologías en anillo de alta disponibilidad.

2.5.4.1 Distribuidor activo de campo (AFD)

El distribuidor AFD (Fig. 2.5) cuenta con conexiones bus integradas automáticas.

Estas aíslan subsegmentos defectuosos de forma automática y sin transitorios al

producirse un cortocircuito o romperse un hilo conductor. Permiten, por otro lado,

modificar la instrumentación o añadir y quitar segmentos en anillo con el sistema

en marcha. La instalación también se simplifica y es más segura gracias a la

exclusión general de las terminaciones erróneas. Hay además disponible toda una

serie de funciones de diagnóstico que permiten localizar y subsanar fallos sin

pérdida de tiempo.

Los distribuidores de campo activo AFD (Active Field Distributors) integran

dispositivos de campo PROFIBUS PA a través de sus 4 conexiones de cables

derivados en un anillo PROFIBUS PA. Por cada anillo se pueden configurar hasta

8 AFDs y hasta 31 dispositivos PROFIBUS PA. [14]

Figura No. 2.5. Distribuidor Activo de Campo (AFD).


31

Figura No. 2.6. Conexionado de la red implementada en la maqueta de simulación industrial.

2.5.4.2 Topología física en anillo

Los nodos se conectan en serie alrededor del anillo. Sería equivalente a unir los

extremos de una red en bus. Los mensajes se transmiten en una dirección

(actualmente existen topologías en red con envíos en ambos sentidos, siendo este

el caso implementado en la maqueta), pasando por todos los nodos necesarios

hasta llegar a su destino. No existe un nodo principal y el control de la red queda

distribuido entre todos los nodos. Cuando la red es ampliada o reducida, el

funcionamiento queda interrumpido y un fallo en la línea provoca la caída de la red

(problemas que son solucionados con el empleo del AFD). [15]

2.5.4.3 Ventajas especiales de la arquitectura en anillo

Disponibilidad máxima.

Gestión de redundancia transparente para el sistema superpuesto de los

acopladores DP/PA inteligentes.

Los terminadores de bus para la resistencia de cierre de bus automática en

los acopladores DP/PA y los AFDs ofrecen aislamiento automático sin

choques de segmentos parciales en caso de cortocircuito o rotura de cable

y modificación de la configuración en anillo y de los instrumentos durante el

funcionamiento; añadir o retirar segmentos del anillo.


32

Aplicaciones de seguridad y tolerantes a fallos con gastos reducidos de

dispositivos y en cableado. [15]

2.5.4.4 Cableado PROFIBUS utilizado

El tipo de cable utilizado es “cable bus con tecnología FastConnect”,

denominado “PROFIBUS FC Standard Cable GP” (Fig. 2.7); este presenta

características de montaje rápido y sencillo de conectores, mediante la

herramienta peladora. Los conductores presentan una estructura bifilar trenzada,

apantallada, con simetría radial. [14]

Figura No. 2.7. Cable PROFIBUS FC Standard Cable GP (izquierda) y Conector 830-2 (derecha).

2.5.4.5 Conector PROFIBUS utilizado

El tipo de conector es denominado “PROFIBUS cable enchufable 830-2” (Fig. 2.7);

este se encuentra pre confeccionado con dos conectores macho de 9 polos. Uno

de los conectores incorpora una interfaz PG. El conector 830-2 sirve para

comunicar estaciones PROFIBUS a equipos de automatización con velocidades

de transferencia de hasta 12Mbits/s. [16]

2.5.4.6 Elementos físicos conectados a PROFIBUS DP

CPU 416 2DP PCI.

ET200M.

DP/PA Link con acopladores DP/PA redundantes IM157-0.

2.5.4.7 Elementos físicos conectados a PROFIBUS PA

DP/PA Link con acopladores DP/PA redundantes IM157-0.

Transmisor Electromagnético de flujo MAG 6000I.

Transmisor de Coriolis MASS 6000.

Transmisor de presión diferencial SITRANS P.

Posicionador inteligente SIPART PS2.


33

2.5.4.8 Elementos físicos conectados a la ET200M

Tres presostatos (Dos de presión en las líneas de alimentación de agua y

uno en línea de alimentación de aire).

Dos variadores de velocidad (Setpoint, acuse y fallo).

Interruptor de paro de emergencia.

Indicador de tres lámparas.

2.6 Definición de los Laboratorios

Después de concluir el estudio de los elementos que componen la maqueta se

definieron 10 prácticas de laboratorio asociadas a las disciplinas de

Instrumentación y Control. Estas son:

1. Laboratorio de parametrización de sensores inteligentes (Anexo Adjunto 1)

En este laboratorio se persigue que el estudiante interactúe con un instrumento

inteligente a través de la configuración de sus principales funciones (Anexo 3).

2. Laboratorio de parametrización de red industrial (Anexo Adjunto 2)

Con este laboratorio se busca que el estudiante se familiarice con el bus de campo

PROFIBUS, dispositivos asociados, y que realice la parametrización de una red

industrial real.

3. Laboratorio para trabajo con la válvula de control (Anexo Adjunto 3)

En este laboratorio se persigue que el estudiante pueda identificar la variación que

sufre la característica inherente de la válvula de control al ser instalada en un

proceso real.

4. Laboratorio para trabajo con lenguaje de contactos (Anexo Adjunto 4)

En este laboratorio se pretende entrenar al estudiante en el empleo del lenguaje

de contactos, para ello se le pide la resolución de un problema práctico, que luego

verá implementado en un PLC real.


34

5. Laboratorio de montaje de un canal de medición de temperatura

(Anexo Adjunto 5)

Con este laboratorio se persigue que el estudiante utilice comunicación 4-20 mA

como parte de un proyecto que consiste en el diseño e implementación de un

canal de medición.

6. Laboratorio de control PID con proceso simulado (Anexo Adjunto 6)

Con este laboratorio se pretende que el estudiante adquiera habilidades en el

trabajo con bloques PID de un PLC, y que actúe sobre un proceso simulado con

controlador real.

7. Laboratorio de control ON-OFF de nivel (Anexo Adjunto 7)

Con el desarrollo de este laboratorio se persigue que el estudiante aprenda a

trabajar con controladores ON-OFF, y a identificar los efectos que producen en un

proceso real la variación de sus parámetros característicos.

8. Laboratorio de Control PID de nivel (Anexo Adjunto 8)

En este laboratorio se pretende que el estudiante controle un proceso real a través

de un controlador PID, trabajando con los parámetros característicos de dichos

controladores.

9. Laboratorio de identificación de un proceso de nivel mediante la respuesta

a un paso (Anexo Adjunto 9)

En este laboratorio se busca que el estudiante interactúe con un proceso real de

nivel, estimulando con un paso escalón, luego recopilando datos y realizando la

identificación no paramétrica del mismo.

10. Laboratorio de aplicación SCADA (Anexo Adjunto 10)

En este laboratorio se persigue que el estudiante utilice el WinCC como SCADA

para crear variables y vincularlas con un proceso real.


35

Capítulo III. Parametrización de la red y programación de los laboratorios

CAPÍTULO III

PARAMETRIZACIÓN DE LA RED Y

PROGRAMACIÓN DE LOS

LABORATORIOS.

Parametrización de la red y programación de los laboratorios . Capítulo III

36

3.1 Introducción

En este capítulo se configurará por software y físicamente (en el caso de la

ET200M y el DP/PA Link) la red implementada teniendo en cuenta el estándar de

comunicación industrial PROFIBUS y los dispositivos que se encuentran presentes

en la maqueta de simulación. Al concluir con el direccionamiento de los elementos

se expondrá la programación de los laboratorios y de las condiciones de

operación.

Para dar solución a los planteamientos de este capítulo se realizará un estudio de

los siguientes elementos:

3.1.2 Simatic WinAC

Simatic WinAC está disponible en dos versiones:

Software PLC

Slot PLC

La versión con la que se trabaja en este proyecto es la Slot PLC, debido a que el

PLC disponible cumple con WinAC Slot PLC 416 (sección 2.2.1.1). Esta solución

se basa en el uso de una PC y en aplicaciones donde se requiere un alto grado de

disponibilidad y confiabilidad operacional. El WinAC Slot PLCs está basado en la

familia de CPU S7-400. En combinación con una fuente externa de 24V, los

programas de usuario son procesados independientemente de la PC. Una batería

de respaldo (3.6V) asegura que todos los datos en área de memoria permanezcan

intactos. Cada tarjeta incorpora una interface MPI/DP y una DP, para

comunicaciones con otras CPUs y para la periferia distribuida de E/S. [17]

Figura No. 3.1. Aplicación “PC-Based Control”.

La CPU es controlada desde el entorno de Windows®

empleando la aplicación PC-Based Control (Fig. 3.1)

incluida en el paquete PCS 7.

Esta aplicación permite:

Puesta en marcha.

Parada.

Borrado de la memoria.

Funciones de diagnóstico.

37


3.1.1 Direccionamiento de las ET 200M

Figura No. 3.2. Direccionamiento de las ET 200M.

3.1.2 Generalidades de STEP 7

Los lenguajes de programación disponibles para STEP 7 son, KOP, AWL y FUP.

La programación en los distintos lenguajes se puede realizar de dos formas:

Trabajo con direcciones absolutas

Todas las entradas y salidas tienen asignada de forma estándar una dirección

absoluta. Esta dirección se utiliza directamente en el software. La programación

utilizando las direcciones absolutas no está recomendada a no ser que el

programa S7 contenga pocas entradas y salidas.

Trabajo con direcciones simbólicas

A cada entrada y salida se le asigna un nombre simbólico y un tipo de datos. Estos

nombres, denominados variables globales, son válidos para todos los

componentes del programa. La programación simbólica le permite al programador

mejor legibilidad del programa y rapidez a la hora de realizar un código de

programación. (Anexo 6)

El software de programación STEP 7 permite estructurar el programa de usuario,

es decir, subdividirlo en distintas partes. Esto se logra empleando la programación

orientada a bloques que se interrelacionan entre sí.

3.1.3.1 Bloque de organización para la ejecución cíclica del programa

En STEP 7 el OB1 es procesado cíclicamente por la CPU. Esta lee el programa

contenido en el bloque línea por línea y ejecuta los comandos. Cuando la CPU

La dirección PROFIBUS es la adición de los

interruptores que se encuentran en “ON” (Fig. 3.2).

La dirección puede ser cambiada en cualquier

momento. La IM 153-x aceptará el cambio una vez que

la fuente DC 24V haya sido apagada y encendida

nuevamente. [17]

38


vuelve a encontrarse en la primera línea del programa, significa que ha finalizado

un ciclo. El tiempo transcurrido hasta entonces se denomina “tiempo de ciclo”. La

ejecución cíclica de programas se le llama ejecución "normal" en los sistemas de

automatización. Las operaciones que se programen en el OB1, no deben exceder

los 150ms, si esto ocurre provoca un error de programación haciendo que el PLC

pase a estado de STOP. Por dicha razón se recomienda que la programación se

lleve a cabo en funciones o bloques de funciones (FC o FB) y en el OB1

simplemente se realice la llamada a dichas funciones. [18]

3.1.3.2 Bloques de organización de alarma cíclica

Las CPUs S7 ofrecen OBs de alarmas cíclicas que interrumpen la ejecución del

programa en intervalos determinados. El tiempo de arranque del período

corresponde al cambio de estado operativo de STOP a RUN. Entre los bloques de

alarma cíclica se encuentra el OB35, que presenta un período de ejecución de

100ms (este puede ser reconfigurado).

3.1.3.3 Programación en funciones

Las funciones y los bloques de función, están subordinados al bloque de

organización. Para que puedan ser procesados por la CPU, estos tienen que ser

llamados también desde el bloque de orden superior. En el caso de las funciones,

a diferencia de los bloques funcionales, no se requiere ningún bloque de datos. En

las funciones, los parámetros también se listan en la tabla de declaración de

variables, pero no se admiten datos locales estáticos.

3.1.3.4 Bloque PID FB41 "CONT_C”

Los “bloques de regulación” suponen una regulación meramente de “software”, es

decir, un bloque contiene todas las funciones del regulador. Los datos necesarios

para el cálculo cíclico están almacenados en los bloques de datos asociados. De

esta forma es posible llamar varias veces los FB. Los FB incluyen funciones de

acondicionamiento del valor de consigna, del valor real y de la magnitud

manipulada calculada. El FB "CONT_C” (FB41) es el bloque de un regulador PID

completo, con salida continua de magnitud manipulada y posibilidad de influenciar

manualmente su valor. [19]

39


3.2 Parametrización de la red

3.2.1 Identificación de los dispositivos

Antes de comenzar el procedimiento de parametrización se realizó la identificación

de los dispositivos que se encuentran instalados. Para ello se necesita en detalle;

la numeración inherente de cada elemento, la cual especifica el modelo y orden de

pedido del mismo.

Tabla de especificaciones correspondiente al módulo de procesamiento (algunos

elementos traen la numeración impresa en la carcasa):

Dispositivo Numeración

CPU CPU 416-2 PCI V4.0 No.6ES7650-2MA07-0YX0

ET200M 6ES7 153-2BA01-0XB0 (IM 153-2)

SM321(Entradas Digitales) 6ES7 321-1BL00-0AA0 (DI32xDC24V)

SM322(Salidas Digitales) 6ES7 322-1BL00-0AA0 (D032xDC24V/0.5A)

SM331(Entradas Analógicas) 6ES7 331-1KF010AB (AI8x13Bit)

SM332(Salidas Analógicas) 6ES7 332-5HD01-0AB0 (A04x12Bit)

DP/PA Link 6ES7 153-2BA81-0XB0 (IM 153-2 OD) Tabla No. 3.1. Numeraciones necesarias para configuración del Hardware.

Tabla de especificaciones correspondiente al módulo de equipos e instrumentos:

Dispositivo Numeración

Posicionador SIPART PS2PA (6DR55xx) 4.00.00

Transmisor Electromagnético SITRANS F M MAG6000 (Profile 3.00)

Transmisor Presión Dif. SITRANS P DSIII PROFIsafe

Transmisor Coriolis SITRANS F C MASS6000 (Profile 3.00) Tabla No. 3.2. Numeraciones necesarias para configuración del Hardware.

Una vez que fue definida la numeración necesaria se procedió a realizar la

configuración del hardware de la red PROFIBUS.

3.2.2 Configuración por programa de la red

3.2.2.1 Creación del proyecto

Para comenzar se ejecutó la aplicación Administrador Simatic („‟Simatic

Manager‟‟) donde se creó un nuevo proyecto, empleando el asistente de creación

de proyectos „‟New Proyect Wizard…‟‟ que se encuentra en el menú de archivo

(„‟File‟‟).

40


A continuación se confirmó el cuadro de diálogo del asistente seleccionando

„‟Next‟‟. En la ventana que aparece se seleccionó la CPU PCS7 BOX de la lista

desplegable; una vez seleccionada esta opción en la parte inferior de la ventana

se escogió el paquete que se corresponde con la CPU que se encuentra en la

tabla 3.1 (Fig. 3.3).

Figura No. 3.3. Selección de la CPU.

A continuación se confirmó la selección presionando „‟Next‟‟. Luego se

seleccionaron tres niveles en la jerarquía de la planta, y se marcó la casilla „‟PCS7

OS‟‟. Seguidamente se definió el nombre de la carpeta y el destino donde se salvó

el proyecto; aceptando al presionar „‟Finish‟‟.

A continuación apareció una ventana donde se confirmó la opción, “Assign CPU-

oriented unique message numbers” en la parte superior de la misma, y

“Always prompt for settings” en la parte inferior. Al aceptar en este cuadro de

diálogo se creó el proyecto apareciendo en la ventana de exploración del

Administrador Simatic (Fig. 3.4).

Figura No. 3.4. Administrador Simatic con el proyecto creado.

41


Para comenzar con la configuración de la red, se ejecutó el configurador de

hardware (“Configuration”) que aparece en la sección derecha de la ventana de

exploración. Inmediatamente se mostró el mismo con la PC que incluye la CPU

previamente seleccionada, y un primer bus PROFIBUS DP como medio de

comunicación (Fig. 3.5).

Figura No. 3.5. Administrador Simatic con el proyecto creado.

A través de las propiedades del objeto PROFIBUS se le asignó al bus DP, la

dirección 1 (Anexo 7.1). Posteriormente se definió la velocidad de comunicación

del bus que por defecto se configuró en 1.5Mb/s.

3.2.2.2 Conexión de los dispositivos al bus DP

Los dispositivos a conectar en la red se encontraron en el catálogo de hardware,

que aparece en la ventana derecha del configurador de hardware. Para

introducirlos se arrastraron y se soltaron sobre el bus DP. Antes de insertar

cualquier elemento en el bus, se verificó que su numeración coincidiera con la

brindada en la tabla 3.1. Al seleccionar un dispositivo del catálogo, se muestra una

pequeña descripción (parte inferior del catalogo de hardware) del mismo y se

incluye la numeración necesaria para identificarlo.

Figura No. 3.6. Catálogo de hardware.

Como primer dispositivo se introdujo la ET 200M

(Fig. 3.6), que se encuentra disponible en:

“PROFIBUS DP”“ET 200M”“IM 153-2”

Una vez que el dispositivo fue insertado, se le asignó

la dirección 2, a través de las propiedades del objeto

IM 153-2. De esta forma fue conectado como esclavo

DP.

Identificador

42


El siguiente paso fue la conexión de los módulos de E/S a la ET 200M. Para

localizarlos se siguió el procedimiento anterior, con la diferencia de que su

incorporación se realizó directamente en la ventana que se muestra en la parte

inferior del configurador de hardware, después de haber seleccionado el

dispositivo IM 153-2 (Fig. 3.7).

Partiendo de “PROFIBUS DP”“ET 200M”“IM 153-2” (dispositivo incluido

anteriormente) se seleccionaron:

1. “DI-300”“SM 321 DI32XDC24V”.

2. “DO-300”“SM 322 DO32XDC24V/0.5A”.

3. “AI-300”“SM 331 AI8X13Bit”.

4. “AO-300”“SM 332 AO4X12Bit”.

Los módulos fueron insertados en el orden que aparecen. (Anexo 7.2)

Figura No. 3.7. Catálogo de hardware.

El segundo elemento que se conectó fue el DP/PA Link. Antes de realizar la

configuración de este elemento se debe aclarar que la redundancia física con la

que se cuenta, no influye en dicha configuración, por lo que se siguió con los

pasos antes mencionados.

Para ello se localizó en: “PROFIBUS DP”“DP/PA Link”“IM 153-2 OD”.

(Anexo 7.3)

Inmediatamente después, emergió un cuadro de diálogo donde fue asignada la

dirección del dispositivo (3) y la velocidad por defecto del bus PA (31.25Kb/s); al

confirmar este cuadro se mostró una ventana donde fue seleccionada la opción

Seleccionar Primero

43


“Interface module for PROFIBUS-PA”. De esta forma quedó configurado el

DP/PA Link como maestro PA y esclavo DP (Fig. 3.8).

Figura No. 3.8 Conexión del DP/PA Link.

3.2.2.3 Conexión de los dispositivos al bus PA

Antes de realizar la configuración de los elementos de campo se debe aclarar que

la topología física de anillo implementada no implicó un tratamiento diferenciado,

pues el cableado es transparente para el software. Por tanto, simplemente se

insertaron los elementos en el bus.

El procedimiento para la conexión de los elementos PA continuó siendo el mismo

que se utilizó para el bus DP. Localizando en el catálogo de hardware los

dispositivos que se encuentran en la tabla 3.2 fueron insertados:

1. “PROFIBUSPA”“Actuators”“Electropneumatic”“SIEMENS”

“SIPART PS2PA (6DR55xx) 4.00.00”. 2. “PROFIBUSPA”“Sensors”“Flow”“Electromagnetic”“SIEMENS”

“SITRANS F M MAG6000 (Profile 3.00)”.

3. “PROFIBUSPA”“Sensors”“Pressure‟‟“SIEMENS” “Electromagnetic”“SITRANS P DSIII PROFIsafe”. 4. “PROFIBUS PA”“Sensors”“Flow” “Coriolis” “SIEMENS” “SITRANS F C MASS6000 (Profile 3.00)”.

Los elementos se conectaron al bus en el orden mostrado y les fueron asignadas

las direcciones 4, 5, 6 y 7 respectivamente (Anexo 7.4), quedando así configurada

la red PA (Fig. 3.9).

44


Figura No. 3.9. Elementos conectados a los buses PROFIBUS DP y PA.

Al realizar estas conexiones el programa asigna direcciones a cada elemento de la

red, estas son únicas, y pueden ser cambiadas a través de las propiedades de

cada dispositivo. En este proyecto se mantuvieron las direcciones que fueron

asignadas por defecto. (Anexo 7.5). Para simplificar el trabajo se empleó la

programación simbólica, por lo tanto se comenzó desde el configurador de

hardware la edición de la tabla de símbolos. Para ello se utilizó la opción editar

símbolos (“Edit Symbols…”), que emerge al dar clic derecho sobre cada

dispositivo en la ventana inferior del configurador de hardware.

3.2.2.3 Inclusión de la aplicación de WinCC en el proyecto

En el entorno de trabajo de PCS7 fue necesario incluir directamente la aplicación

de WinCC en la Estación PC, de esta forma se garantiza la comunicación del PLC

con la aplicación SCADA. Para incluir este elemento se siguieron los pasos

descritos anteriormente, con la diferencia que se arrastra hacia el slot 1 de la PC

(Fig. 3.10). Este se encuentra en:

“SIMATIC PC Station”“HMI”“WinCC Application”

Figura No. 3.10. Inclusión de la aplicación WinCC en el proyecto.

45


3.2.2.4 Comunicación de la PC con el PLC

Para lograr la comunicación de la PC con el PLC se realizaron dos acciones:

La primera consistió en asignarle el nombre real de la PC industrial a la estación

creada en el proyecto. Para ello se accedió a las propiedades del objeto a través

del menú que aparece al dar un clic derecho sobre el elemento PC. En la pestaña

“General” se escribió SIEMENS-CF 175C0 (Fig. 3.11), nombre correspondiente a

la PC industrial. Seguidamente se aceptaron los cambios presionando el botón

“OK”, dejando configurada esta acción.

Figura No. 3.11. Asignación del nombre de la PC.

El segundo paso fue el establecimiento de la interface PG/PC. Para ello se ejecutó

la aplicación que se encuentra en: “Inicio”“SIMATIC”“SIMATIC NET”

“Set PG-PC Interface”. Se seleccionó “PC internal (local)” (Fig. 3.12), opción

que define el slot PCI de la PC como vía de comunicación. Seguidamente se

aceptaron los cambios presionando el botón “OK”, quedando configurada esta

acción.

Figura No. 3.12. Asignación del modo de comunicación para WinAC Slot PLC.

Después de que se realizaron estos pasos se corrió el proyecto haciendo clic en el

botón salvar y compilar (“Save and Compile”) en la barra de herramientas.

PC Internal

46


Seguidamente, se abrió el configurador de red (“Configure Network”) dispuesto

también en la barra de herramientas (Fig. 3.13).

Figura No. 3.13. Salvar y compilar (izquierda) y, configurador de red (derecha).

Figura No. 3.14. Configuración general de la red.

Como elemento distintivo se muestra la flecha amarilla que aparece en la pantalla

de la PC, esto significa que la comunicación entre la PC y el PLC ha sido

correctamente configurada.

3.2.3 Direccionamiento físico de los dispositivos

3.2.3.1 Configuración del DP/PA Link con acopladores DP/PA

Para lograr la comunicación del DP/PA Link con el PLC se le asignó la dirección

PROFIBUS DP configurada anteriormente por programa (dirección 3) (Fig. 3.15).

Figura No. 3.15. Establecimiento de la dirección de bus al DP/PA Link.

Dirección

Conectar alimentación

47


3.2.3.2 Configuración de la ET 200M con módulos de entrada/salida

Para lograr la comunicación de la ET 200M con el PLC se le asignó la dirección

PROFIBUS DP configurada anteriormente por programa (dirección 2) (Fig. 3.16).

Figura No. 3.16. Establecimiento de la dirección de bus a la ET 200M.

Con los interruptores se seleccionó la dirección correspondiente, para establecerla

se inicializó el dispositivo apagando y encendiendo la fuente de alimentación.

Para asignar la dirección PROFIBUS DP de este elemento se realizaron los pasos

descritos anteriormente. De esta forma se concluyó con toda la parametrización de

la red.

3.3 Programación de los laboratorios

3.3.1 Laboratorios a programar

De las diez prácticas de laboratorio definidas en el capítulo 2 solo requirieron

programación en el PLC las siguientes:

Laboratorio para trabajo con la válvula de control.

Laboratorio para trabajo con lenguaje de contactos.

Laboratorio de control ON-OFF de nivel.

Laboratorio de montaje de un canal de medición de temperatura.

Laboratorio de control PID con proceso simulado.

Laboratorio de Control PID de nivel.

48


Laboratorio de identificación de un proceso de nivel mediante la respuesta a

un paso.

3.3.2 Estructura de programación

La programación de cada laboratorio se realizó empleando el lenguaje de

contactos (KOP), utilizando bloques de función (FB) instanciados mediante

bloques de datos (DB). Cada FB del laboratorio fue recogida en una función (FC)

de control encargada de encapsular todas las llamadas.

El tratamiento de condiciones anormales en la maqueta fue programado en una

función (FC), los controladores PID fueron llamados en el OB 35; este último fue

configurado para interrumpir cíclicamente cada 100ms. De esta forma se respetó

el tiempo de ejecución del OB1 ya que solo se llamaron en él, las dos funciones de

control definidas para la gestión de laboratorios y tratamiento de condiciones

anormales.

3.3.2.1 Programación del laboratorio para trabajo con la válvula de control

Este laboratorio se encuentra programado en el bloque de función FB1, y tiene

asociado el boque de datos DB1. Esta aplicación en esencia es un generador de

rampa con pendiente creciente y decreciente como señal de estímulo a la válvula;

además existe la posibilidad de entrar valores manuales. El generador de rampa

tiene un contador que se incrementa con cada ciclo de ejecución de la función. En

caso de que la salida de la válvula esté al 100% y esté seleccionada la opción de

rampa, un temporizador congela la salida durante 10 segundos antes de empezar

a decrecer, lo mismo ocurre cuando desciende al 0%. (Anexo 8.1)

3.3.2.2 Programación del laboratorio para trabajo con lenguaje de contactos


asociado el bloque de datos DB2. La función controla el llenado de un tanque

encendiendo la bomba cuando se detecta nivel bajo y apagándola cuando se

detecta nivel alto. En la programación se utilizaron dos comparadores para

verificar los niveles alto y bajo, si se activa la salida del comparador de nivel bajo

se señaliza la alarma (lámpara roja) y enciende la bomba dos, elemento que

comparte activación con la lámpara amarilla de la maqueta. Si el nivel es alto se

49


apaga la bomba eliminando la indicación de la lámpara roja. Con un propósito

didáctico la activación de la aplicación se comparte con el botón que se encuentra

en el módulo de equipos e instrumentos. (Anexo 8.2)

3.3.2.3 Programación del laboratorio de control ON-OFF de nivel


asociado el boque de datos DB3. La función realiza el control on-off de nivel en el

tanque dos. Para esto recibe los valores correspondientes a, variable de proceso

nivel, valor consigna de nivel, histéresis y porciento de apertura de la válvula. Con

los valores de histéresis y consigna, se hallan los valores superior e inferior de

comparación. En el caso de encontrarse el nivel por encima del límite superior, se

cierra la válvula; en caso contrario se abre al por ciento indicado. El valor de nivel

medido es convertido a centímetros (barcm), y ajustado al cero del instrumento,

de esta forma se garantiza que la referencia y la variable de proceso estén en el

mismo rango. (Anexo 8.3)

3.3.2.4 Programación del laboratorio de montaje de un canal de medición de temperatura


asociado el boque de datos DB4. La función trabaja con valores continuos de

corriente 4-20 mA para convertirlos a valores de temperatura, a través de la

función FC105 (función para escalar valores) que toma como límites para la

conversión, valores que se entran manualmente. (Anexo 8.4)

3.3.2.5 Programación del laboratorio de control PID con proceso simulado

Este laboratorio se encuentra programado en el bloque de interrupción cíclica

OB35. Este utiliza la función FB50 asociada el bloque de datos DB50, y el PID del

bloque de datos FB41 instanciado con el DB44. El FB50 se encarga de simular un

proceso promediando los últimos treinta valores que recibe en su entrada, y

colocando el resultado en su salida. La salida de este último bloque es pasada al

PID, por la entrada de la variable de proceso y el valor manipulado del controlador

se conecta a la entrada del simulador, formándose así un lazo cerrado entre el

regulador y el proceso. El tiempo de muestreo del regulador se ajustó a 100 ms

buscando una sincronización con el tiempo de interrupción del OB35. (Anexo 8.7)

50


3.3.2.6 Programación del laboratorio de control PID de nivel

Este laboratorio se encuentra programado en el bloque de interrupción cíclica

OB35. La aplicación está compuesta por un bloque PID del tipo FB41 instanciado

con el bloque de datos DB41. La señal de proceso proviene del transmisor de

nivel y el valor manipulado es enviado a la válvula de control, cerrándose así el

lazo de control de nivel. La consigna y los parámetros de ajuste del controlador

son entrados por el usuario y el tiempo de muestreo del regulador ha sido

establecido en 100ms. Cada vez que se ejecuta el OB35 y esta activo el

laboratorio de control de nivel el valor medido es convertido a centímetros

(barcm), y ajustado al cero del instrumento, de esta forma se garantiza que la

referencia y la variable de proceso estén en el mismo rango. El lazo puede operar

en modo automático y manual según una entrada externa. (Anexo 8.7). En el

laboratorio de identificación de procesos (Anexo 4 y 5), el lazo de control de nivel

trabaja en modo manual y se estimula la válvula con una señal paso escalón de

amplitud seleccionable.

3.3.3 Gestión de laboratorios

La función encapsuladora que se encarga de la gestión de los laboratorios de

válvula, control on-off, canal de medición y de lenguaje de contactos es la FC1

(„‟Función de control‟‟). En ella se arrancan o no dichos laboratorios; en donde

solo puede estar activo uno a la vez. Al recibir la señal de parada de un laboratorio

activo se realiza la puesta a cero de todas las señales que manipula el mismo

(reset). El laboratorio correspondiente al canal de medición no necesitó “reset”, ya

que el funcionamiento del mismo no implica la modificación de variables asociadas

al módulo de equipos e instrumentos. (Anexo 8.5)

Figura No. 3.17. Ciclo de ejecución de un laboratorio X dentro de la FC1.

A modo de presentar la lógica de funcionamiento

seguida en la FC1 se expone un ejemplo (Fig. 3.17).

51


3.3.4 Tratamiento de condiciones anormales

La vigilancia de las condiciones anormales de funcionamiento se programó en la

función FC2. En ella se chequean constantemente los dispositivos activos en la

maqueta, y a través de comparaciones y funciones lógicas se activa una marca

(“cond_anormal”) encargada de detener el funcionamiento de cualquier

aplicación que haya estado en marcha. Al sucederse cualquier acción de este tipo

se enciende la lámpara correspondiente a alarma (lámpara roja).

En la FC2 se chequea:

Nivel mayor o igual que 97cm.

Si sucede esta situación se detiene el funcionamiento de las bombas y se

cierra la válvula de control.

Encendido y apagado del variador No. 1.

Encendido y apagado del variador No. 2.

En caso de que el acuse de algún variador se demore más de 5 segundos

se da alarma y se activa una marca tratada en el SCADA.

Problemas por la ausencia de flujo si se está bombeando y la válvula de

control está abierta.

En este caso se da alarma y se envía una señal al SCADA a través de una

marca.

Baja presión de alimentación de la válvula.

En este caso se da alarma.

Sin duda el proceso con que se trabaja en el módulo de equipos e instrumentos

posee poca complejidad ya que son pocas las variables que determinan su mal

funcionamiento. (Anexo 8.6)

3.3.5 Estructura general del programa

En las secciones 3.3.3 y 3.3.4 se explicaron las funciones FC1 y FC2 estas

funciones son llamadas en cada ciclo de ejecución del OB1. Seguidamente se

expone la estructura general que se concibió para la ejecución del programa (Fig.

3.18 y 3.19).

52


Figura No. 3.18. Jerarquía del programa.

Figura No. 3.19. Llamadas del OB35.

De esta forma a sido programado el PLC para cumplir con los objetivos y

requerimientos de cada aplicación propuesta. Así se ha creado una estructura que

es capaz de asimilar nuevas funciones y aplicaciones, utilizables en el

mejoramiento de los laboratorios de automática. En el capítulo 4 se diseñará una

aplicación SCADA para interactuar con las prácticas programadas.

Capitulo v

Análisis de económico .

53

Capítulo IV. Aplicación SCADA y propuesta de comunicación OPC

CAPÍTULO IV

APLICACIÓN SCADA Y PROPUESTA DE

COMUNICACIÓN OPC

54

Aplicación SCADA y propuesta de comunicación OPC . Capítulo IV

4.1 Introducción En este capítulo se expone el diseño de una aplicación SCADA desarrollada sobre

WinCC 6.2, y la configuración de un servidor OPC, que servirán como plataforma

de desarrollo de las prácticas de laboratorio que se realizaron en la maqueta

industrial como parte de este proyecto.

4.1.1 Generalidades de WinCC El equipamiento básico de WinCC incluye funciones de mando y supervisión

diseñada a la medida de las necesidades industriales. Es decir, comprende una

completa visualización gráfica de los estados del proceso, la señalización y

confirmación de alarmas, los archivos de valores de medida, mensajes y datos del

proceso, así como la gestión de usuarios y sus autorizaciones de acceso. [20]

El sistema presenta la información al personal operativo de manera gráfica, en

forma de un diagrama de representación. Este consiste en gráficos de símbolos

esquemáticos para representar los elementos del proceso. Significando esto que

el operador puede ver un esquema que representa la planta que está siendo

controlada. “WinCC” unifica la automatización de la producción y de los procesos e

integra un archivo histórico escalable sobre la base de “Microsoft SQL Server” en

el sistema básico. [21]

Programa de ejecución

Con el programa de ejecución, el usuario puede visualizar y manejar el proceso.

Este se encarga de leer los datos memorizados en la base de datos CS, visualizar

las imágenes, realizar la comunicación con los autómatas programables, archivar

datos de la planta y eventos de avisos. Además permite manejar el proceso, por

ejemplo predeterminando valores de consigna o activando/desactivando

componentes.

Tareas asociadas al Runtime:

El sistema de gráficos muestra las imágenes en la pantalla y recibe

entradas del operador, por ejemplo cuando este pulsa un botón o introduce un

valor.

55


El intercambio de datos entre “WinCC” y otras aplicaciones se puede

efectuar vía “OPC”, “OLE” y “ODBC”.

El sistema de ficheros memoriza los valores del proceso en el fichero de

valores de proceso. Estos son necesarios para poder representar su evolución

cronológicamente en el “Online Trend Control” (función que representa a las

variables del proceso en una gráfica) o en el “Online Table Control” (función que

representa a las variables del proceso en una tabla).

El sistema de avisos vigila determinados valores individuales del proceso.

En caso de sobrepasar un valor límite, el sistema de avisos se emite en el “Alarm

Control” (donde se muestran las alarmas del sistema).También acepta los acuses

del operador, gestiona los estados de los avisos y deposita todos los avisos en el

fichero de avisos.

La comunicación entre “WinCC” y los “PLC” se gestiona a través de

controladores de comunicación, a los que se les denomina canales.

Los canales tienen la misión de reunir las demandas de valores de proceso

de todos los componentes “Runtime”, leer en los autómatas programables los

valores de las variables de proceso y, en su caso, volver a escribir nuevos valores

en los “PLC”. [22]

4.1.2 Generalidades de OPC OPC es la abreviatura para designar OLE para Control de Proceso.

OLE se entiende por Incrustación Dinámica de Objetos, una tecnología estándar

que aparece siempre que se desarrolla y editada un documento, al que se desee

incrustar gráficos, hojas de cálculo, etc. OLE está presente en la mayoría del

intercambio cotidiano de información digital a través de informes, presentaciones,

etc.

OPC está basado en la tecnología OLE/COM de Microsoft. Es una Fundación,

como la Fundación Fieldbus, su objetivo, es proteger y suministrar al usuario de

los mecanismos y las ventajas de hacer uso del sistema operativo (OS) para la

gestión sobre sus datos, estructuras y acciones, estabilizar un número de

estándares para interfaz OLE/COM diseñados para garantizar una fuerte

interoperabilidad entre las aplicaciones de automatización y control, instrumentos

56


de campo, aplicaciones para la gerencia, dirección y otros objetivos en los

procesos de control en la industria.

La tecnología define "objetos" y "métodos" para diseñar servidores OPC en tiempo

real, como son los sistemas de control distribuido, controladores lógicos,

dispositivos de campo inteligente y analizadores; con el objetivo de "hacer"

comunicar esta información a través de toda la secuencia OLE/COM, (servidores y

clientes).

Un mecanismo estándar para establecer la comunicación entre distintas fuentes

de información, sea dispositivo de campo o base de datos en el cuarto de control,

es el principal motivo de OPC.

A pesar de que OPC está diseñado principalmente para acceder a datos de un

servidor en red, las interfaces OPC se pueden usar para distintas aplicaciones. En

el nivel más bajo puede coger datos de aparatos físicos y llevarlo a SCADA o

DCS, o de un servidor SCADA o DCS a una aplicación. La arquitectura y el diseño

permiten que se pueda configurar un Servidor OPC que permita a una aplicación

cliente acceder a datos de distintos Servidores OPC. [23]

4.2 Aplicación SCADA

Antes de comenzar a desarrollar la aplicación se eligió el driver de comunicación

Slot PLC (para WinAC Slot PLC) que se encuentra en “SIMATIC S7 PROTOCOL

SUITE”.

La visualización de todas las pantallas se realiza a través de un monitor de 19

pulgadas adquirido con la maqueta, y con el uso del SCADA creado como parte de

este trabajo. Las especificaciones de dicho SCADA son descritas a continuación.

La aplicación SCADA la integran doce pantallas correspondientes a: históricos de

las variables, alarmas, y laboratorios desarrollados. Con el fin de brindar un mayor

nivel de detalle cada práctica se identifica con una pantalla.

En las páginas se muestran los equipos e instrumentos que intervienen en las

aplicaciones de laboratorios diseñadas (válvulas, sensores, y accionamientos),

57


dichos elementos pueden ser manipulados cambiando, el estado (encendido,

apagado), valores consigna, y modos de funcionamiento (manual, automático).

4.2.1 Navegación en la aplicación SCADA para laboratorios de Automática

Barra superior

En la parte superior de la pantalla se dispone de una barra con numerosos

botones (Fig. 4.2), ellos son:

. Permite abrir la página anterior (Al inicio se enlaza con la página de

descripción-“Descripción.Pdl”).

. Permite abrir la página inicial (“inicio.Pdl”).

. Permite abrir la página siguiente (Al inicio se enlaza con la página de

descripción-“Descripción.Pdl”).

. Permite abrir los históricos generales del sistema (“Históricos_general

1.Pdl”).

. Permite abrir la página general (“general.Pdl”).

. Permite abrir la página de alarmas del sistema (“Alarmas.Pdl”).

. Permite abrir la página de descripción (“Descripción.Pdl”).

. La función de dicho botón es la de brindar una interfaz que permita

seleccionar las variables de interés, y el tiempo de muestreo (Fig. 4.1); luego al

presionar el botón de comenzar, se realiza la exportación de los valores de las

mismas hacia el Microsoft® Excel. (Anexo 9.1)

Figura No. 4.1. Interfaz para la exportación a Excel.

. Permite la entrada del usuario al sistema (obtener permisos) por medio de un

nombre de usuario y una contraseña.

Los ficheros Excel con los datos se almacena en “D:\Maqueta”

58


. Permite la salida del usuario del sistema (pérdida de permisos) de manera

más fácil y visible.

. Permite salir de la ejecución del sistema, desactivando el “Runtime”.

. Permite la salida definitiva del sistema, desactivando el “Runtime” y el

Explorador de WinCC.

Figura No. 4.2. Barra superior.

Selección de laboratorio

Figura No. 4.3. Menú de asignaturas.

4.2.2 Botones de control

La puesta en marcha de cualquier aplicación de laboratorio es posible mediante un

botón ubicado en la parte superior-central de la pantalla, indicando, cuando se

encuentra en rojo (“Stop”- ) la parada del sistema, y en verde (“On”- ), el modo

funcionamiento. Al activarse un laboratorio, inmediatamente se detiene el

funcionamiento de cualquier aplicación que haya estado funcionando, antes de

ejecutarla.

La puesta en marcha y parada de las bombas es posible, mediante un botón de

desplazamiento ( ), ubicado al lado de cada una; indicando, cuando se encuentra

en verde el modo funcionamiento, y, en rojo ( ) la parada. El estado de cada

bomba se muestra en la parte superior de las mismas; en el caso de estar

encendida se muestra un letrero en “On” ( ), de otro modo se muestra en

“Off” ( ). Cada bomba se maneja de forma separada e independiente una de

otra.

Se dispone de un menú (parte derecha de la pantalla) que

permite la selección por asignatura, y más en detalle

desplegando un submenú que posibilita acceder mediante

un clic a la aplicación asociada a la práctica de laboratorio

(Fig. 4.3)

59


4.2.3 Contador del tiempo de laboratorio

Al dar clic en “Abrir” ( ), se despliega un menú horizontal que brinda la

posibilidad, mediante dos opciones, de escoger el tiempo de duración del

laboratorio (medio turno-45min y turno completo-90min); al seleccionar la opción

deseada se da clic, en la pestaña “Comenzar” ( ), y acto seguido empieza el

conteo. Al concluir el tiempo se muestra un letrero de aviso parpadeando en rojo

(Fig. 4.4). (Anexo 9.2)

Figura No. 4.4. Contador del tiempo de laboratorio.

Para quitar el letrero bastará con dar clic sobre él, o si se desea comenzar un

nuevo temporizador, se da clic en la pestaña “Comenzar”, y el letrero se eliminará

automáticamente. Si se desea parar el conteo una vez comenzado, se puede dar

clic en la pestaña “Terminar”, llevando a cero su valor. El menú se puede cerrar en

cualquier momento dando un clic en la pestaña “Cerrar”.

4.2.4 Descripción de la pantalla principal (“inicio.Pdl”)

La página principal del SCADA (inicio.Pdl) está compuesta por una foto de la

instalación existente, tal como se muestra en la figura 4.4. Esta página reúne los

elementos de navegación y de acceso a laboratorios ya mencionados. Por temas

de seguridad, todos los botones y accesos a las demás páginas se encuentran

protegidos por contraseña.

Con el fin de aumentar la seguridad informática del sistema, se crearon dos

usuarios con privilegios de administrador (todos los privilegios), y, tantas cuentas

de invitado (privilegios limitados) como asignaturas, persiguiendo con esto que

cada profesor de laboratorio cuente con la suya propia.

60


Figura No. 4.4. Pantalla de inicio.

4.2.5 Descripción de la pantalla general (“General.Pdl”)

La página general pretende visualizar el estado de la maqueta, en ella solo se

pueden encender y apagar las bombas. En dicha pantalla se muestran los valores

correspondientes a las mediciones, a través de indicadores numéricos y gráficos

(Fig. 4.5).

Figura No. 4.5. Pantalla general.

4.2.6 Descripción de las pantallas de históricos generales

“Históricos 1” (“Históricos_general 1.Pdl”) e “Históricos 2” (“Históricos_general

2.Pdl”) comprenden los históricos generales del sistema; cuya función es, brindar

de manera más amplia la tendencia de los valores de las variables, Nivel en el

tanque, flujo en el medidor magnético, flujo en el medidor de Coriolis, posición del

vástago de la válvula, y, la frecuencia de salida de los variadores (Fig. 4.6). En

cada una de estas páginas se incluyó la visualización en la parte inferior de la

Nivel

RPM de la bomba

Iniciar aplicación

Indicación

61


pantalla, de una tabla de alarmas del sistema, brindándole mayor potencialidad a

las páginas de históricos.

Figura No. 4.6. Pantalla de históricos generales 1.

4.2.7 Funcionamiento de la pantalla de descripción

(“Descripción.Pdl”)

La página de “Descripción” (Fig. 4.7) persigue visualizar e identificar de forma

escueta, algunas de las características de los elementos que se encuentran en la

maqueta. Para ello cuenta con una lista de los dispositivos y al hacer clic en el

nombre del equipo este comienza a parpadear (para lograr la identificación, solo

parpadea un elemento a la vez). Para detener cualquier intermitencia será

suficiente dar clic en el nombre nuevamente, o, en el dispositivo como tal. Para

visualizar las características de un dispositivo en particular, se debe dar clic en él,

y si no se encuentra parpadeando se mostrará un cartel con sus características.

Figura No. 4.7. Pantalla de descripción

Información

Tendencias

Alarmas

Lista de elementos

62


Al visualizarse esta pantalla, se mantiene el funcionamiento de cualquiera de las

aplicaciones que se haya estado ejecutando antes de abrirla. Los elementos de

navegación siguen siendo operativos por lo que desde ella es posible acceder a

cualquier otra o retronar a la anterior empleando los botones históricos de

navegación.

4.2.8 Tratamiento de las alarmas y descripción de la

pantalla dedicada a las mismas (“Alarmas.Pdl”)

Las alarmas se disparan en función de los valores alcanzados por cada variable y

los límites establecidos para las mismas. Se comparan los resultados y se

muestran en la tabla de alarmas (Fig. 4.9), donde se cuenta con la posibilidad de

luego acusarlas.

En la tabla 4.1 se muestran los niveles de alarma definidos para cada una de las

variables.

Variables Alarma H Aviso H Aviso L Alarma L

Nivel x x x x

Flujo Coriolis x x

Flujo Magnético x x

Presostato 1 x

Presostato 2 x

Nautilus (Presostato) x

Variables (Fallos) Error

Fallo Variador 1 x

Fallo Variador 2 x

Fallo Bomba 1(PLC) x

Fallo Bomba 2(PLC) x

Fallo arranque Bomba 1(PLC) x

Fallo parada Bomba 1(PLC) x

Fallo arranque Bomba 2(PLC) x

Fallo parada Bomba 2(PLC) x

Tabla No. 4.1. Niveles de alarma definidos.

“Alarma H”: indica alarma por valor encima del límite superior permisible.

“Aviso H”: indica aviso por valor encima del límite definido.

“Aviso L”: indica aviso por valor debajo del límite definido.

“Alarma L”: indica alarma por valor debajo del límite inferior permisible.

“Error”: indica fallo en algún dispositivo.

Nota: Las variables que vienen acompañadas de “(PLC)”, son provenientes de la rutina de

tratamiento de condiciones anormales programadas en el PLC (sección 3.3.4).

63


Figura No. 4.8. Colores para los mensajes de alarma.

Figura No. 4.9. Pantalla de alarmas.

4.2.9 Páginas asociadas a las prácticas de laboratorio

Las páginas asociadas a los laboratorios cuentan con el diagrama de la sección

que se va a utilizar. Los equipos y elementos que no se utilizan, no se muestran.

Con esto se logra obtener una mayor área en pantalla, una mejor visualización de

los elementos realmente necesarios, y una mayor claridad del sistema a estudiar

por parte de los alumnos.

Cercano a cada elemento, se encuentra un cuadro que identifica dicho dispositivo;

en este se muestra: el estado (en el caso del actuador y el controlador) y el valor

correspondiente a, la medición, la referencia “SP” y variable de proceso “PV”.

En todas las aplicaciones se puede identificar fácilmente el recorrido del líquido, el

cual se muestra a través de un cambio de coloración por parte de las tuberías de

paso del fluido (verde, para el líquido impulsado por la bomba 1, y morado, para el

líquido impulsado por la bomba 2). Con el fin de esclarecer más este proceso, se

detalla también el sentido del recorrido del fluido haciendo uso de flechas

parpadeantes.

Los colores para todas las clases de mensajes se

definieron como se muestra en la figura 4.8:

“Rojo”: Disparo de Alarma, Aviso o Error.

“Amarillo”: La causa entra a la normalidad.

“Negro”: Reconocida.

Alarmas

64


4.2.9.1 Descripción de la pantalla de control de nivel (“CtrolNivel.Pdl”)

A ella se puede acceder desde:

“Modelado y Simulación”“Nivel”

“Control de Procesos I”“Control de Nivel”

Con esta aplicación se pretende realizar un laboratorio de identificación de un

proceso de nivel tomando como señal de estímulo un paso escalón, en Modelado

y Simulación; y, el laboratorio de control de nivel de la asignatura de Control de

Procesos I.

Esta pantalla (Fig. 4.10) propone un sistema de control de nivel en un tanque con

vasos comunicantes, para ello se muestra el sistema en el cual toman parte, dos

tanques, la válvula de control, la bomba 2 y el transmisor de presión diferencial.

Con estos elementos se realiza el control del nivel en el tanque 1. A pesar de no

intervenir en el control se muestran las mediciones de flujo correspondientes

(medidor magnético, medidor de Coriolis).

Los parámetros del controlador, el estado y el valor de referencia se pueden

cambiar haciendo clic en el botón ubicado en el cuadro de estado del

controlador, de donde aparece una ventana emergente con los elementos de

control, estos son:

“Automático”, “Manual”. Se puede cambiar el modo en el que se realiza el

control (cuando trabaja en “Automático” se muestra en verde el cuadro de

estado de la válvula, y el controlador; cuando lo hace en “Manual” se muestra

en rojo).

“SP”. Permite cambiar la referencia de nivel.

“K”. Permite cambiar el valor de ganancia del controlador PID implementado.

“Ti”. Permite cambiar el valor de la constante de tiempo integral del

controlador PID implementado.

“Td”. Permite cambiar el valor de la constante de tiempo derivativa del


“R”. Mediante este botón se cargan los parámetros de ajuste por defecto del

controlador.

Gráfica de los valores de referencia, variable de proceso, y salida del

controlador con respecto al tiempo.

65


Figura No. 4.10. Pantalla del laboratorio de control de nivel.

En la página se incluye un histórico del nivel en el tanque y una tabla con los

valores de las mediciones de nivel y la señal de control.

4.2.9.2 Descripción de la pantalla de la válvula de control

(“MTA_valvula.Pdl”)


“MTA”“Válvula de Control”

Con esta aplicación se pretende realizar el laboratorio de válvula correspondiente

a la asignatura de Medios Técnicos de Automatización. Esta pantalla (Fig. 4.11)

propone un sistema donde se estimula la válvula con una señal rampa, o,

manualmente, con el fin de obtener datos relacionados con la característica

efectiva de la misma. Los elementos que toman parte en esta práctica son; el

tanque 1, el medidor magnético de flujo y la bomba 2. En la página se cuenta con

dos gráficas de históricos y una tabla con los valores de apertura de la válvula y el

flujo. En el gráfico de la parte izquierda inferior de la pantalla, se visualiza la

relación por ciento de apertura-flujo.

El estado del dispositivo se puede cambiar en el cuadro “Señal de Estímulo”, los

elementos de estímulo, son:

“Señal Rampa”, “Manual”. Se puede cambiar el modo en el que se actúa

sobre la válvula (cuando trabaja en “S. Rampa” se muestra en verde el cuadro

de estado de la válvula; cuando lo hace en “Manual” se muestra en rojo).

“SP”. Permite cambiar la posición del vástago cuando se encuentra en manual.

Ventana emergente

Ajustes del controlador

66


Figura No. 4.11. Pantalla del laboratorio de válvula.

4.2.9.3 Descripción de la pantalla de control de flujo

(“ControlP_flujo.Pdl”) (Propuesto)


“Control de Procesos I”“Control de Flujo”

Con esta aplicación se persigue realizar el laboratorio de control de flujo de la

asignatura de Control de Procesos I. La pantalla propone dos sistemas de control

de flujo; una variante utilizando como elemento regulador la válvula de control

(variante 1), y otra, utilizando el variador de velocidad (variante 2)

correspondiente a la bomba 1. Para mostrar las variantes, la pantalla se encuentra

dividida en dos, mostrando la variante 1 en la parte superior, y, la variante 2 en la

parte inferior de la página.

Variante 1

En esta variante (Fig. 4.12) toman parte: el tanque1, la válvula de control, el

medidor magnético de flujo y la bomba 2. Con estos elementos se realiza el

control del flujo circulante por la tubería que descarga en el tanque 1. Los

parámetros del controlador, el estado y el valor de referencia se puede cambiar

haciendo clic en el botón ubicado en el cuadro de estado del controlador, de

donde aparece una ventana con los elementos de control, estos son:

“Automático”, “Manual”. Cambia el modo en el que se realiza el control

(cuando trabaja en “Automático” se muestra en verde el cuadro de estado de

la válvula, y el controlador; cuando lo hace en “Manual” se muestra en rojo).

Ajuste del estímulo

67


SP”. Permite cambiar la referencia de flujo.






“R”. Mediante este botón se cargan los parámetros de ajuste por defecto del

controlador.



Figura No. 4.12. Pantalla del laboratorio de control de flujo (variante 1).

Variante 2

En esta variante (Fig. 4.13) toman parte: el tanque 2, el medidor de Coriolis, la

bomba 1 y el variador correspondiente. Con estos elementos se realiza el control

del flujo circulante por la tubería que descarga en el tanque 2. El estado y el valor

de referencia se puede cambiar haciendo clic en el botón ubicado en el cuadro

de estado del controlador, de donde aparece una ventana con los mismos

elementos de control que la variante anterior.

Figura No. 4.13. Pantalla del laboratorio de control de flujo (variante 2).

Ventana emergente


68


4.2.9.4 Descripción de la pantalla de control ON-OFF de nivel

(“on-off.Pdl”)


“MTA2”“Control On-Off”

Con esta aplicación se persigue realizar un laboratorio de control on-off de nivel de

la asignatura de Medios Técnicos de Automatización. Esta pantalla (Fig. 4.14)

propone un sistema donde se utiliza un controlador on-off para regular el nivel.

Los elementos que toman parte en esta práctica son; el tanque 1, el medidor de

presión diferencial, la válvula de control y la bomba 2. Los parámetros del

controlador, el estado y el valor de referencia se puede cambiar haciendo clic en el

botón ubicado en el cuadro de estado del controlador, de donde aparece una

ventana emergente con los elementos de control, estos son:

“Automático”, “Manual”. Se puede cambiar el modo en el que se realiza el

control.

“SP”. Permite cambiar la referencia de nivel.

“His.”. Permite cambiar el valor de histéresis del controlador (entre 2 y 5 cm).

“%A”. Permite cambiar el valor apertura de la válvula cuando en controlador

está en “on”.



Figura No. 4.14. Pantalla del laboratorio de control On-Off.

Ajuste de parámetros

69


En la pantalla se incluye un histórico del nivel en el tanque, la consigna, la salida

del controlador y una tabla con los valores de las mediciones de nivel y la señal

de control.

4.2.9.5 Descripción de la pantalla del laboratorio de control PID simulado (“Pid_Simu.pdl‟‟)


“MTA2”“PID Simulado”

Con esta aplicación se persigue realizar el laboratorio de controlador PID de la

asignatura de Medios Técnicos de Automatización. Esta pantalla (Fig. 4.15)

propone un sistema donde se utiliza un controlador PID real para regular un

proceso simulado dentro del PLC.

Figura No. 4.15. Pantalla del laboratorio de control PID simulado.

Los parámetros del controlador, el estado y el valor de referencia se pueden

cambiar a través de ventana del regulador, dichos parámetros son:

“Automático”, “Manual”. Cambiar el modo en el que se realiza el control.

“SP”. Permite cambiar la referencia del proceso.




Ajustes de la periferia


70




“Limitar salida”. Permite establecer los límites de saturación del controlador.

“Escalar salida”. Permite escalar la salida de periferia de controlador.



En la pantalla se incluye un histórico de la variable de proceso simulada, el error

de regulación, la salida del controlador y la consigna. 4.2.9.6 Descripción de la pantalla del laboratorio de Canal de medición (“Canal_Med.pdl‟‟)


“Sistemas de Medición”“Canal de Medición”

Con este laboratorio se pretende que el estudiante utilice comunicación 4-20 mA

como parte de un proyecto que consiste en el diseño e implementación de un

canal de medición de temperatura correspondiente a la asignatura de sistemas de

medición. La pantalla (Fig. 4.16) propone un sistema donde se lee la variable

antes mencionada escalando su valor a nivel de PLC. Los parámetros de escalado

se entran a la misma, a través de dos campos de entrada dispuestos en dicha

pantalla; el valor de la medición se visualiza por medio de un campo de salida.

Figura No. 4.16. Pantalla del laboratorio del canal de medición.

Rango de temperatura

71


En la pantalla se incluye un histórico de la temperatura y un esquema general del

montaje del canal de medición.

4.2.9.7 Descripción de la pantalla del laboratorio de lenguaje de contactos (“MTA_KOP.pdl‟‟)


“MTA2”“Lenguaje de Contactos”

Con esta aplicación se persigue realizar un laboratorio de lenguaje de contactos

correspondiente a la asignatura de Medios Técnicos de Automatización.

En esta pantalla (Fig. 4.17) se pretende trabajar con el empleo del lenguaje de

contactos, para ello existe una aplicación que regula el llenado y vaciado de un

tanque. Los elementos que toman parte en esta práctica son; el tanque 1, el

medidor de presión diferencial, la bomba 2 y el botón del módulo de equipos e

instrumentos.

Los valores de comparación para nivel alto y bajo se pueden entrar a través de los

cuadros de texto. Con el fin de demostrar el trabajo del PLC real en función de la

programación, se muestra el código KOP en la parte inferior de la página; donde

se indica el estado de los contactos.

Figura No. 4.17. Pantalla del laboratorio de lenguaje de contactos.

Estado de los contactos

72


4.2.9.8 Descripción de la pantalla del laboratorio de aplicación SCADA (“Lab_SCADA.pdl‟‟)


“Sistemas Automatizados”“Laboratorio de SCADA”

Con esta aplicación se persigue realizar un laboratorio de SCADA

correspondiente a la asignatura de Sistemas Automatizados. En la práctica se

propone la realización de una secuencia de pasos entre los que se encuentran:

establecer comunicación con variables de proceso, graficar valores, mostrar

alarmas, realizar animaciones y modificar salidas del PLC.

Los números que se muestran en la pantalla (Fig. 4.18) indican los pasos a

desarrollar por el alumno en la resolución del laboratorio. (Adjunto)

Figura No. 4.18. Pantalla del laboratorio de SCADA.

73


4.3 Propuesta de comunicación

OPC

4.3.1 Conceptos fundamentales para la realización de un proyecto

La creación de un servidor OPC requiere conocer algunos conceptos

imprescindibles para su configuración como son:

Channels: representa el Canal de Comunicación, en el cual se escogerá el

driver de comunicación que se necesite.

Devices: utilizado para proporcionar las características de los Dispositivos

en el Canal de Comunicación.

Tags Groups (opcional): grupos de variables utilizados para separar unas

variables de otras dentro del Dispositivo.

Tags: variable que contienen la dirección y el tipo de variable a la que

accederá el servidor dentro del Dispositivo.

Bases y Principios (COM):

COM es una Plataforma utilizada por Microsoft que permite la interacción

entre componentes dentro de un ambiente Windows.

COM permitía a Objetos cruzar los límites de Procesos y Lenguajes, mas

no era capaz de ir más allá de Objetos Locales.

Figura No. 4.19. Funcionamiento de COM.

DCOM:

DCOM surge como una extensión para redes de Component Objetc Model

(COM) de Microsoft.

74


Engloba un conjunto de conceptos e interfaces de programas de Microsoft,

en el cual Objetos de un Cliente pueden solicitar servicios a un objeto

remoto en un Servidor de forma transparente al Programador.

Microsoft suele referirse a DCOM como: “COM con un gran cable”

Funcionamiento:

DCOM construye una capa que permite hacer llamadas de procedimientos a

Objetos remotos (ORPC) basado en la arquitectura de un RPC normal.

Figura No. 4.20. Funcionamiento de DCOM.

Características:

El modelo COM permite gran flexibilidad binaria y adaptabilidad entre

distintas configuraciones y máquinas.

Seguridad basada en certificados de Internet.

Funciona en LAN, WAN e Internet.

DCOM soporta múltiples protocolos de comunicación, TCP/IP, UDP/IP,

IPX/SPX, entre otros.

Debido a que las especificaciones de los métodos están en binario, permite

la integración de diversos lenguajes como C++, Java, Visual Basic.

Tolerancia a Fallas: Es soportada por medio de Transacciones automáticas.

4.3.2 Servidor y clientes OPC

En la PC industrial se propone crear un servidor OPC de Kepware, siendo clientes

del mismo las PCs que se encuentran en el laboratorio de instrumentación (Fig.

4.21). Para la comunicación de éstas con el servidor, se propone realizarla sobre

el cableado de red Ethernet existente en el laboratorio. Con el fin de lograr la

75


comunicación de la PC industrial con el PLC se utiliza la conexión MPI presente

(entre PC y PLC).

Para hacer accesible el servidor OPC de KepWare, después de la instalación, es

necesaria la configuración de los elementos DCOM de Windows® brindada en la

ayuda de dicho programa (Anexo 10.1). En las PCs cliente debe realizarse la

misma configuración del DCOM explicada en el anexo 10.1.

4.3.3 Configuración del servidor y el cliente OPC de WinCC

En el servidor OPC se deberán hacer visibles todas las variables externas que se

emplearon en la aplicación SCADA desarrollada anteriormente. (Anexo 10.2) y en

el cliente OPC de WinCC se deberán agregar todas las variables todas visibles del

servidor. (Anexo 10.3).

Las estaciones cliente deberán tener instalado el paquete SIMATIC PCS7 v7.0

para poder emplear la aplicación SCADA desarrollada. En cada estación será

necesario vincular nuevamente todas las variables externas a sus homólogas del

servidor. En principio se prevé que todas las variables de las estaciones cliente

sean solo de lectura aunque se puede establecer una estructura de privilegios en

dependencia del laboratorio y/o la consideración del profesor.

Figura No. 4.21. Estructura propuesta de comunicación OPC.

Capitulo v

Análisis de económico .

76

Capítulo V. Análisis económico

CAPÍTULO V

ANÁLISIS ECONÓMICO

77

Análisis económico . Capítulo V

5.1 Introducción

En este capítulo se realiza el análisis económico del desarrollo de las prácticas de

laboratorio, como objetivo principal de este trabajo.

Para un mejor entendimiento es necesario hacer referencias a normas propias de

este tipo de cálculo en el proceso de planificación y ejecución de las

investigaciones. Se presenta además un análisis del impacto que produjo la

ejecución del proyecto.

5.1.1 Conceptos generales

El significado de cada una de las abreviaturas utilizadas en este capítulo se

explica a continuación:

• CT (Costo Total): costo que resulta de la realización del proyecto.

• CD (Costo Directo): costo que resulta de la suma del Salario Básico (SB), el

Salario Complementario (SC), el Seguro Social (SS), los Medios Materiales

Directos (MD), las Dietas y Pasajes (DP) y Otros Gastos (OG).

• SB (Salario Básico): consiste en el salario que se paga por el tiempo

exclusivamente trabajado, es decir, no se incluye seguridad social ni

vacaciones. Incluye los salarios básicos de todos los participantes en el

desarrollo de este trabajo.

• SC (Salario Complementario): consiste en el 0.091% del salario básico, que

se destina para el pago de las vacaciones. Este por ciento está respaldado

por normativas y regulaciones nacionales.

• SS (Seguridad Social): equivale al 10% de Salario Básico más el Salario

Complementario.

• DP (Dietas y Pasajes): representa los gastos por Dietas y Pasajes.

• MD (Medios Directos): se refiere a los materiales utilizados directamente en

la investigación, comprende todos los gastos en la adquisición de los

componentes, materiales y equipos que se incorporan definitivamente al

resultado de la investigación.

78


• OG (Otros Gastos): se incluye el precio de utilización de equipamiento. Se

considera el gasto por concepto de tiempo de máquina, el cual tiene un valor

de $ 10.00 cada hora.

• GE (Gastos Energéticos): representa los gastos por concepto de consumo

de energía, en este proyecto solo energía eléctrica.

• CI (Costo Indirecto): se refiere a los gastos de electricidad consumida,

gastos de administración, instalaciones etc. Este valor se estima

multiplicando un coeficiente de costo por el salario básico de la investigación

más los Gastos Energéticos.

5.2 Cálculo del costo del proyecto El Costo Total del proyecto se calcula según la ecuación 5.1:

CT = CD + CI (5.1)

Los indicadores CD y CI se expresan en la ecuación 5.2 y 5.3 respectivamente.

CD = SB + SC + SS + MD + DP + OG (5.2)

CI = 0.84*SB + GE (5.3)

El grupo de trabajo que implementó este proyecto, estuvo integrado de manera

permanente desde el 15 de marzo hasta el 5 de junio del 2008 (82 días) por dos

adiestrados cuyo salario básico mensual asciende a $310 ($155 cada uno). Como

tutores participaron: un Máster en Ciencias Técnicas y una Doctora en Ciencias

Pedagógicas, los cuales trabajaron en este proyecto a razón de 1 día a la semana

(11 días), que devengan un salario mensual de $625 y $924 respectivamente.

Para el cálculo del Salario Básico (SB) se utilizó la ecuación 5.4, para el Salario

Complementario (SC) la 5.5 y para la Seguridad Social (SS) la 5.6.

n

SB = ∑ (Aj x Bi) (5.4) i =1

Donde:

Bi: Salario diario del participante i = Salario mensual / 24.

Aj: Días dedicados a la investigación.

n: número total de participantes.

79


SB = (82 x 6.45 + 82 x 6.45 + 11 x 38.5 + 11x 26.042)

SB = $1767.76

Salario Complementario (SC):

SC = 0.0909 x SB = 0.0909 x 1767.76 = $160.69 (5.5)

Seguridad social (SS):

SS = 0.1 x (SB + SC) = 0.1 x (1767.76 + 160.69) (5.6)

SS = $192.845

No se reportaron gastos por concepto de Medios Directos (MD), por tanto:

MD = $0.0000

No se reportaron gastos por concepto de Dietas y Pasajes (DP), por tanto:

DP = $0.0000

Como Otros Gastos (OG) se consideraron las horas de uso de las PC.

Estimándose este tiempo en, siete horas diarias en dos PC (9:00AM hasta

5:00PM) por 45 días (desde 15-03-2009 hasta 29-04-2009); y, los 37 días

restantes (desde 29-03-2009 hasta 5-06-2009) se utilizó solo una PC por un

promedio de seis horas al día El cálculo se especifica en a continuación.

OG1 = No. Horas PC x No. Días x $10 = 14 x 45 x 10 = $6300

OG2 = No. Horas PC x No. Días x $10 = 6 x 37 x 10 = $2220

OG = OG1 + OG2

OG = $8520

Si se sustituyen los valores de SB, SC, SS, DP y OG en 5.2 se obtiene el valor de

CD:

CD = $1767.76 + $160.69 + $192.845 + $0 + $0 + $8520

CD = $10641.295

Para calcular los gastos por concepto de energía eléctrica (GE) se tuvo en

cuenta el uso de la maqueta de simulación, que representa un gasto de

aproximadamente 2 Kw/h (según el fabricante). Estimándose el tiempo de uso

80


de la misma en seis horas diarias (10AM-12PM, 1PM-5PM) por 37 días, y

tomando el costo del Kw/h como $0.042 según “Procedimiento de aplicación de

las tarifas eléctricas por Resolución No. 311 del 2001 del Ministerio de

Finanzas y Precios”, se calcula:

GE = No. Horas x No. Días x $0.042 = 6 x 37 x 0.042 = $9.324

Sustituyendo el valor de SB y GE en 5.3 se obtiene el valor de CI:

CI = 0.84 x $1767.76 + $9.324

CI = $1494.2424

Una vez calculados los valores de CI y CD se puede determinar el Costo Total

(CT) sustituyendo dichos valores en 5.1.

CT = $10641.295 + $1494.2424

CT = $12135.5374 = 505.65 CUC = 421.375 €

5.2.1 Beneficios

Desde el punto de vista económico, se debe tener en cuenta que la maqueta de

simulación pertenece a la CUJAE, por lo que su misión es meramente docente.

Como parte de la investigación efectuada, se comprobó que existen

equipamientos de características similares que son utilizados para brindar

servicios de adiestramiento a diferentes entidades, función por la que reciben un

importe monetario. En este caso se encuentran los laboratorios especializados de

la industria básica que brindan cursos de 6 semanas con costos que ascienden a

los 1000 CUC.

La posibilidad de brindar adiestramientos y cobrar determinado importe económico

podría ser una variante posible de aplicar en el laboratorio de instrumentación,

labor que contribuiría con la paulatina modernización del mismo, reportando la

adquisición de dispositivos con otros fines y características, elemento que influiría

de manera determinante en la preparación de los estudiantes (objetivo principal de

la universidad).

Como dato se puede decir que montar un laboratorio con las características de la

maqueta de simulación puede llegar a costar aproximadamente 120 000 euros.

Teniendo en cuenta esto, como parte del proyecto y elemento determinante en el

81


cuidado y preservación en óptimas condiciones de la instalación, se tuvieron en

cuenta las posibles situaciones de fallas de la misma, factor que podría

desembocar en una inversión por concepto de reparación, que en la mayoría de

las ocasiones en este tipo de equipamiento reporta gastos muy elevados, y en

peores casos la pérdida permanente de dispositivos.

Como repercusión social existen diversas formas en la que este proyecto influyó

de forma positiva, como son su contribución a la realización de prácticas de

laboratorio, y la creación de un andamiaje de soporte que se encuentra abierto a

futuras mejoras y expansiones que podrían dar como resultado una herramienta

para los distintos niveles de preparación que brinda la universidad: postgrados,

maestrías y doctorados. Estas y otras investigaciones pudieran devenir de manera

indirecta en resultados económicamente palpables no solo para la CUJAE, sino

también para el país.

82

Conclusiones

En el desarrollo de este trabajo de diploma se ejecutaron todas las tareas

concebidas para el cumplimiento de sus objetivos, para ello se realizó un estudio

general integral de la maqueta de simulación donada al Instituto. En dicho estudio

se profundizó en temas de instrumentación inteligente, redes industriales

PROFIBUS, características y especificaciones del WinAC, desarrollo de

soluciones de automatización empleando SIMATIC PCS 7, y el análisis de

componentes docentes requeridas para el diseño de prácticas de laboratorio como

objetivo esencial del proyecto.

Como resultado del estudio, se realizó la parametrización de los instrumentos de

medición y la red industrial; se programó el PLC con funciones que responden a la

gestión y desarrollo de las prácticas, y como elemento integrador se diseñó e

implementó una aplicación SCADA. La unión de estos componentes junto con la

comunicación OPC, conformó una plataforma que sirve de soporte al desarrollo de

prácticas de laboratorio vinculadas a las disciplinas de Control e Instrumentación.

En total se generaron 10 prácticas, las mismas fueron concebidas en sentido

doble: fusión de los contenidos teóricos y prácticos e integración del ámbito

académico con el mundo profesional.

De esta forma, se dieron los primeros pasos para hacer del laboratorio de

instrumentación una instalación totalmente renovada y tecnológicamente

actualizada, en la que el estudiante podrá completar su formación y ver la

aplicación de la teoría en la práctica.

83

Recomendaciones

El desarrollo de esta primera plataforma abre un amplio abanico de posibles

mejoras. Desde el punto de vista funcional, se debe considerar la instalación de la

aplicación SIMATIC PCS 7 en las PC del laboratorio de Instrumentación, así como

modernizarlas para que soporten con la debida calidad, este software. Además se

recomienda el diseño de una aplicación Web que permita el acceso remoto desde

cualquier laboratorio de la facultad de Ingeniería Eléctrica. Debe considerarse la

incorporación de equipamiento adicional que pueda mejorar sustancialmente la

disponibilidad del laboratorio así como la explotación del mismo.

Se recomienda que las disciplinas de Instrumentación y Control realicen el

planeamiento de sus actividades de laboratorio tomando en cuenta la existencia

de esta instalación como herramienta docente.

84

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88

Bibliografía

61. Siemens AG. Manual “WinAC Controlling con CPU 412-2 PCI/CPU 416-2 PCI

Configuración, instalación y datos de las CPUs, versión 3.2”. Edición 07/2002.

Disponible en:

http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=ll&objid=10805642&

start=21&csSort=DOCBETREFF&nodeid0=10805642&nav0=index&idx0=N&lang=

es&siteid=cseus&aktprim=0&objaction=csopen&extranet=standard&viewreg=WW

&display=p

62. Vega Cruz, Gilda M. “Notas de Clases, Didáctica de la Educación Superior”. 2008.

ISPJAE.

Web visitadas

63. http://www.automation.siemens.com/cd/process-

safety/html_76/ps_safety_field.htm

64. http://www.automation.siemens.com/cd/process-safety/html_76/ps_integrated.htm

65. http://www.automation.siemens.com/cd/process-safety/html_76/ps_sis.htm

66. http://educacion.idoneos.com/--practica y teoría

67. http://www.monografias.com/trabajos23/bombas-y-compresores/bombas-y-

compresores.shtml#intro

68. http://www.schneiderelectric.es/sites/spain/es/productos-servicios/automatizacion-

control/oferta-de-productos/presentacion-de-

rango.page?c_filepath=/templatedata/Offer_Presentation/3_Range_Datasheet/dat

a/es/local/automation_and_control/nautilus.xml#

89

Anexos Anexo 1

Presentación de los informes de las Prácticas de Laboratorio [5]

La confección del informe de la práctica puede tener carácter individual o

colectivo, lo cual será indicado por el docente.

Los informes se entregarán mecanografiados o escritos a mano dentro de una

carpeta o al menos con una carátula, donde se señale lo siguiente:

Título de la práctica.

Nombre del autor(s) del informe.

Grupo docente.

Fecha.

La estructura general del informe será la siguiente:

Carátula.

Índice.

Resumen.

Fundamentos teóricos.

Materiales y métodos.

Resultados.

Conclusiones y recomendaciones.

Bibliografía.

Anexos.

El contenido de las partes del informe que se señalan anteriormente se explica

resumidamente a continuación:

Índice

Se indicará la página donde comienza cada parte del informe.

Resumen

En una página, como máximo, se redactará un resumen de la práctica, que debe

reflejar todo su contenido en forma muy breve. No se incluirán en el resumen citas

bibliográficas, dibujos, ni expresiones matemáticas.

90

Anexos

Fundamentos teóricos

Entre dos y cinco páginas se explicarán los antecedentes, objetivos y fundamentos

teóricos del experimento. Se citarán adecuadamente las referencias

bibliográficas. Al redactar esta parte del informe se debe tener presente que

servirá para comparar con los resultados que se obtengan, por lo que las hipótesis

u objetivos deben aparecer explícitamente.

Materiales y métodos

Se explicarán los métodos experimentales utilizados para la obtención de los

resultados, dando los nombres de los equipos e instrumentos (en el caso que se

utilicen), también se citarán las técnicas utilizadas para el procesamiento de la

información obtenida durante el experimento.

Resultados

Los resultados experimentales se resumirán en tablas y gráficos, y se analizarán

discutiéndose su coincidencia con los fundamentos teóricos. No se incluirán los

cálculos; éstos deben aparecer en anexos, conjuntamente con las hojas de

impresión de la computadora en caso de que se utilice la misma como una

herramienta para el procesamiento de la información.

Conclusiones y recomendaciones

Las conclusiones que se deriven de la discusión de los resultados experimentales

se redactarán en forma concisa, especialmente las relativas a las hipótesis u

objetivos enunciados en los fundamentos teóricos.

Las recomendaciones se deben referir a las posibles aplicaciones prácticas de los

resultados y conclusiones y a la posible eliminación futura de las deficiencias y

limitaciones encontradas durante la realización del experimento.

Bibliografía

Se presentarán los títulos de los libros consultados en orden alfabético por

autores. Cuando se tengan referencias bibliográficas se deben citar dentro del

texto.

En ambos casos (bibliografía o referencias bibliográficas) deben aparecer los

siguientes datos en esta secuencia: primer apellido; coma; iniciales del nombre; si

hay otros autores y siempre que no sean más de tres en total, en cuyo caso se

pone “y otros”, se coloca primero la inicial del nombre y después el primer apellido;

91

Anexos

punto; título del libro; si es un artículo de revista entre comillas y el título de la

revista en que aparece, precedido de la palabra en; tomo (en el caso de los libros);

número; volumen y año en el caso de las revistas; casa editorial; país o ciudad en

que se edita el libro o revista; año y páginas consultadas. Cada dato se separará

por comas.

Anexos

En los anexos se incluirán los datos técnicos y especificaciones de los equipos e

instrumentos de laboratorio empleados en el experimento, los cálculos realizados

y las hojas de impresión de la computadora si se realiza el procesamiento

automático de la información recopilada en el experimento.

92

Anexos

Anexo 2

Datos técnicos de los elementos de la Maqueta.

Anexo 2.1

Bomba Centrífuga

GRUNDFOS CR1S-12

Estas bombas centrífugas tienen un conjunto de paletas giratorias sumergidas en

el líquido, el cual entra en la bomba cerca del eje del motor, y las paletas lo

arrastran hacia sus extremos a alta presión proporcionándole una velocidad

relativamente alta. La velocidad puede convertirse en presión en el difusor de la

bomba. Las CR1S-12 resultan adecuadas para la manipulación de fluidos que

lleven en suspensión partículas sólidas, y además permiten el estrangulado o aun

el cierre temporal de la válvula de la tubería de descarga. Las ventajas

primordiales de estas bombas son la simplicidad, el bajo costo inicial, el flujo

uniforme (sin pulsaciones), el pequeño espacio necesario para su instalación, los

costos bajos de mantenimiento, el funcionamiento silencioso y su capacidad de

adaptación para su uso con impulsos por motor, su bajo consumo de energía y la

protección contra funcionamiento en seco, que reduce el 25% de posibilidad de

fallos. [24]

Se han diseñado para manipular:

Líquidos a altas temperaturas.

Líquidos viscosos como pinturas y barnices.

Líquidos volátiles y explosivos.

Líquidos corrosivos.

Principales Características

Fabricante Grundfos

Tipo Bomba centrífuga multicelular

Flujo Máx. 120 m3/h

Presión Máx. 33 bar

HB Máx. 100m (Ver fig. X.X)

Potencia 0.56 KW

Temperatura (rango) -40 a 180ºC

Peso 65 lbs.

Alimentación 208-230 V (Trifásica)

Tabla No. 1.A. Características de la bomba centrifuga CR1S-12

93

Anexos

Atura de impulsión del fluido.

Figura No. 2.A. HB de las bombas series CR.

Dimensiones.

Tabla No. 2.A. Dimensiones de la bomba CR1S-12

94

Anexos

Anexo 2.2 Compresor de Aire COMPRESOR FINI CIAO 6-1850. La función del compresor en la maqueta es suministrar presión de alimentación

constante al posicionador electroneumático de la válvula de control durante todo el

tiempo de operación.

En estos compresores la corriente de aire fluye en dirección axial, a través de la

serie de paletas giratorias de un motor y de los fijos de un estator; estos últimos

están concéntricos respecto al eje de rotación. El área de circulación de aire va

disminuyendo transversalmente, lo que produce una disminución del volumen y

así la compresión del aire. Una vez suministrado el aire al compresor por el

conducto de admisión, pasa la corriente a través de un juego de paletas de

entrada, que preparan la corriente para el primer escalón de del compresor. Al

entrar en el grupo de paletas giratorios, la corriente de aire, que tiene una

dirección general axial se defecta en la dirección de la rotación; este cambio de

dirección de la corriente viene acompañado de una disminución de la velocidad,

con la consiguiente elevación de presión por efecto de difusión. [25]

Principales características Fabricante Fini

Tipo Compresor Coaxial

Potencia 1.1 KW

Desplazamiento de aire 185 L-min

Presión 8 bar máx.

Velocidad del motor 2850 rpm

Cilindros 1

Etapas 1

Ruido 29 dB

Dimensiones 330 x 255 x 500 mm

Peso 65 lbs.

Alimentación 230 V, 60Hz

Tabla No.3.A. Características del Compresor Fini Ciao 6-1850

95

Anexos

Anexo 2.3

Transmisor de Presión Diferencial

SITRANS P, serie DS III PA

SITRANS P DS III es un transmisor con el estándar de seguridad especial para

presión absoluta, relativa y diferencial, así como caudal y nivel. Este transmisor es

apto para instalación en circuitos de medición SIL 2 según IEC 61508/IEC 61511.

Las funciones de seguridad incluyen, entre otras, diagnóstico automático de fallos,

comportamiento definido en caso de fallo así como cálculo de tasas de fallo. [16]

Principales características

Fabricante Siemens

Señal de Salida • 4-20mA

Alimentación • Transmitida por el bus

Tensión de Bus • 9… 32V • 9… 24V en modo con seguridad intrínseca

Consumo de Corriente • 12,5 mA • 15,5 mA en caso de defecto

Magnitud de Medida • Presión relativa

Rango de Medida • 1 – 16 bar g

Factor de Potencia • ≥0.7

Temperatura del Fluido a Medir • -20…+100 oC

Material de la Caja • Fundición de Aluminio Baja en cobre.

Material de las Partes en contacto con el Fluido

• Acero inoxidable.

Comunicaciones • PROFIBUS PA

Protección Intrínseca • IP65

Otras Protecciones • Desconexión electrónica de defecto

Tabla No.4.A. Características del transmisor inteligente Sitrans P DS III PA.

El SITRANS P DSIII se encuentra instalado con valvulería adicional del tipo

Manifolds DN 5 que sirve para líquidos y vapores. Este elemento permite controlar

la estanqueidad de todas las conexiones y purgar o enjuagar las tuberías para

eliminar suciedad (restos de soldadura, virutas, etc.).

96

Anexos

Anexo 2.4

Caudalímetro electromagnético

SITRANS F M MAGFLO MAG 1100.

Los caudalímetros electromagnéticos son idóneos para medir el caudal de

prácticamente cualquier líquido conductor de la electricidad, también lodos, pastas

y lechadas. La condición: una conductividad mínima en el fluido. Ni la

temperatura, ni la presión ni la viscosidad y ni la densidad tienen efecto sobre la

medida. [16]

Este insturmento realiza la medición electromagnética del caudal basándose en la

ley de inducción de Faraday2. Aplicándola a la medición de caudal se tiene que el

elemento conductor es el líquido; y una señal generada que es captada por dos

electrodos instalados diametralmente opuestos de manera rasante con la

superficie interior del tubo. Estos electrodos se encuentran aislados de las paredes

de la tubería por juntas no conductivas con el fin de eliminar cortocircuitos de la

señal. [26] [27]


Fabricante Siemens

Principio de Funcionamiento Electromagnético

Fluidos Líquidos conductores > 0.008 µs

Rango de Medición 0 – 113.000 m3 /h, 0 – 500.000 GPM

Precisión 0.25 % de la lectura

Presión nominal (máxima) PN 40 / 600 PSI

Temperatura (rango) -20 – 200 Cº

Material de revestimiento Cerámica / PFA

Material de los Electrodos Platino/ HASTELLOY C276

Protección intrínseca IP67/ NEMA 4X/6

Comunicaciones Transmisor incorporado Mag 6000 l

Alimentación 115 – 220 V (AC)

Tabla No.5.A. Características del medidor electromagnético Sitrans FM MAGFLO Mag 1100

2Michael Faraday (22 Septiembre 1791 – 25 Agosto 1867) químico y físico inglés creador de la ley de Faraday.

97

Anexos

Anexo 2.5

Transmisor de caudal volumétrico SITRANS F M MAGFLO MAG 6000 I

Este transmisor está diseñado para los requisitos especiales de la industria de

procesos. La robusta carcasa totalmente metálica proporciona una protección

excelente, incluso en los entornos industriales más agresivos. Se proporciona

funcionalidad de entrada y salida. Su instalación puede ser remota o compacta,

cuenta con excelente resolución de señal que optimiza el ratio de medida y posee

además un menú de operación configurable por el usuario y protegido por

contraseña. [16]


Fabricante Siemens

Fluidos Líquidos

Medición de: Caudal volumétrico

Salida de corriente Intensidad: 0 -20 mA, 4 -20 mA Carga: <560Ω Constante de tiempo: 0-30s (Config.)

Salida digital Frecuencia: 0 ... 10 kHz, 50% del ciclo de trabajo Constante de tiempo: 0.1 ... 30s (ajustable) Pasiva: 3 - 30 V CC, máx. 110 mA, 200 k Ω ≤R i ≤ 10 kΩ

Relé Tipo: Relé de inversión Carga: 42 V / 2 A, ó 24 V DC/1 A de pico Funciones: Nivel de error, número de error, límite, sentido de flujo

Entrada digital 11- 30 V CC (R = 4.413,6 k Ω) Corriente:IDC 11 V = 2.5 mA, IDC 30 V = 7 mA

Alimentación • 230 V AC: 21.5 VA • 24 V DC: 12 W, IN = 380 mA, IST = 1 A (3 ms)

Comunicaciones HART, PROFIBUS PA, MODBUS RTU/ RS 485, DEVICENET, FIELDBUS

Protección Intrínseca IP67/NEMA 4X to IEC 529 and DIN 4005

Tabla No.6.A. Características del transmisor inteligente Sitrans FM MAGFLO Mag 6000 I

98

Anexos

Anexo 2.6

Caudalímetro Coriolis de Siemens

SITRANS F C MASS 2100 DI 3

Estos flujómetros Coriolis deben su nombre al físico e ingeniero civil francés

Gaspard G. Coriolis3 (1792–1843). Basan su funcionamiento en el principio

Coriolis y son adecuados en la medición de caudal de todo tipo de líquidos y

gases. Dicha medición es independiente de cambios en las condiciones y

parámetros del proceso tales como temperatura, densidad, presión, viscosidad,

conductividad y cambios en el tipo de flujo. [25][16]


Fabricante Siemens

Principio de Funcionamiento Coriolis

Fluidos Líquidos y Gases

Rango de Medición 0 – 250.000 Kg. /h, 0 – 550.000 lb.

/h

Precisión <0.15 % de la lectura

Presión nominal (máxima) 3336 psi

Temperatura (rango) -50 – 180 ºC

Material 1.4435 (AISI 316L) (Stainless steel) 2.4602 (Hastelloy C-22)

Protección intrínseca IP65/ NEMA 4

Tabla No.7.A. Características del transductor Coriolis Sitrans FC MASSFLO Mass 2100

3Teorema de Coriolis: “Un objeto de masa m que se desplaza con una velocidad lineal V a través de una superficie giratoria

que gira con velocidad angular constante w, experimenta una velocidad tangencial (velocidad angular x radio de giro) tanto mayor cuanto mayor es su alejamiento del centro. Si el móvil se desplaza del centro hacia la periferia experimentará un aumento gradual de su velocidad tangencial, lo cual indica que se les está aplicando una aceleración y, por lo tanto, una

fuerza sobre la masa del objeto. Como el radio de giro va aumentando gradualmente, la velocidad tangencial también varía, con lo que se concluye que una variación de velocidad provoca una aceleración, la que a su vez es debida a una fuerza que actúa sobre la bola. Estas son respectivamente, la aceleración y la fuerza de Coriolis” [26].

Este fenómeno es el causante de que el remolino que se forma en el fondo de un depósito al vaciarlo, gira a la derecha en el hemisferio Norte y a la izquierda en el Sur. Asimismo todos los vientos de la circulación general que soplan desde el

Norte al Sur en el hemisferio Norte son desviados, debido a la rotación de la tierra de Este a Oeste, gracias a la Fuerza de Coriolis sobre las masas de aire de los cinturones de presión, constituyendo en el cinturón 30°N-60°N, los vientos predominantes del Oeste y en el cinturón 0°N-30°N, los vientos alisios. Por otro lado, el célebre péndulo de Foucault

demuestra también el fenómeno”. [26]

99

Anexos

Anexo 2.7

Transmisor de caudal másico

SITRANS F C MASSFLO MASS 6000

El MASS 6000 está diseñado según el estado actual de las tecnologías del

procesamiento de señales digitales y responde a los requisitos de alta potencia,

cortos tiempos de respuesta, rápido procesamiento de lotes, alta inmunidad a las

perturbaciones en forma de ruidos del proceso y se caracteriza por un gran

facilidad a la hora del montaje, de la puesta en servicio y del mantenimiento. Este

transmisor suministra verdaderas medidas multiparámetro de caudales másicos,

caudales volumétricos, densidad, temperatura y caudales de fracción. [16]


Fabricante Siemens

Fluidos Líquidos y gases

Medición de: Caudal másico,Caudal volumétrico,Fracción [%],Densidad, Temperatura

Salida de corriente Intensidad: 0 -20 mA, 4 -20 mA Carga: <800 Ω, Constante de tiempo: 0-30s (Config.)

Salida digital Frecuencia: 0 ... 10 kHz, 50% del ciclo de trabajo Constante de tiempo: 0 ... 30s (ajustable) Activa: 24 V CC, 30 mA,1 k≤ R Carga ≤ 10 k Ω, resistente a cortocircuitos. Pasiva: 3 - 30 V CC, máx. 110 mA, 1 k Ω ≤R Carga ≤ 10 kΩ

Relé Tipo: Relé de inversión, Carga: 42 V / 2 A de pico Funciones: Nivel de error, número de error, límite, sentido de flujo

Entrada digital 11- 30 V CC (R = 13,6 k Ω) Alcance de las funciones: Arranque/Parada/ Continuación de lote, ajuste del cero, reposición a cero de los contadores 1/2, control forzado de salida, congelar salida

Alimentación Alimentación 115/230 V CA, 50 ... 60 Hz

Comunicaciones HART, PROFIBUS PA & DP, MODBUS RTU/ RS 485

Protección Intrínseca IP67/NEMA 4X según IEC 52 DIN 40050 (1 m C.A. durante 30min.)

Tabla No.8.A. Características del transmisor inteligente Sitrans FC MASSFLO Mass 1100.

100

Anexos

Anexo 2.8

Presostato Digital

SENSOR EMC-L2 B –ES SERIE ISE30

Este instrumento está diseñado para brindar una gran visibilidad, pues posee una

pantalla grande de tres dígitos que puede tener dos colores (verde y rojo).

Presenta una precisión de alta y un tamaño pequeño, por lo que es muy fácil de

montar. El instrumento tiene incorporadas funciones diversas, como la auto-

calibración, bloqueado de teclas, autoajuste de cero y de almacenamiento del

máximo pico que se ha medido; estas ofrecen gran versatilidad al presostato.

El instrumento tiene incorporadas funciones de autocalibración del Display, ajuste

de ceros y bloqueado de teclas; todas accesibles desde el teclado frontal del

mismo. [27]


Fabricante SMC

Rango de Disparo 0.1 – 1 MPa

Rango de Prueba 1.5MPa

Precisión 2 % de FS

Resolución del Display 0.001MPa

Histéresis Programable

Temperatura (rango) –10 a 60 C

Protección intrínseca IP40

Salidas analógicas 4-20 mA o 1-5 Vdc

Salidas digitales Colector abierto PNP o NPN

Alimentación 12-24 Vdc, 45 mA y 75 mA para salida de corriente.

Unidades de indicación MPa, Res. 0.001. bar, Res. 0.01 psi, Res. 0.2 Kg/cm2, Res. 0.01

Tabla No.9.A. Características del presostato digital EMC-L2 B-ES.

101

Anexos

Anexo 2.9

Válvula de globo con actuador neumático

SERIE: V2001 TIPO: 3321 PP SAMSON

Esta válvula de globo presenta una característica inherente de igual porcentaje y

un obturador de simple asiento como se muestra en la figura 2.A. Son empleadas

para trabajar a bajas presiones, siempre que se requiera que las fugas4 por el

cierre del obturador sean mínimas. [28]

Figura No 2.A. Cuerpo de la Válvula de control de globo y simple asiento.

El diseño para exige un ensamblaje modular, siendo posible combinarla con

actuadores neumáticos o eléctricos del propio fabricante; la válvula puede

montarse en cualquier poscicion. La circulacion del fluido depende de la posición

del vástago, elemento que regula el área de circulación de flujo. [32]


Fabricante Samson

Cuerpo Globo, Simple Asiento

Fluidos Gases, Líquidos y Vapor

Actuador Neumático o eléctrico

Presión Nominal ANSI class 150

Recorrido de vástago 15mm


Rangeabilidad 50:1

Tabla No.10.A. Cuerpo de la válvula de globo Samson V2001 tipo 3321 pp.

4 La norma ANSI B 16.104-1976 impone como fugas admisibles para válvulas de globo de simple

asiento el 0.1% del caudal máximo.

102

Anexos

Actuador neumático de diafragma tipo 3372 de Samson

Figura No. 3.A. Actuador neumático Samson tipo 3372.


Fabricante Samson

Tipo Neumático

Estado de fallo Cerrado o abierto(Se selecciona)

Característica Lineal

Presión Nominal ANSI class 150

Recorrido de vástago 15mm


Rango Cerrada:30-48psi, Abierta: 6-20psi

Protección IP45

Tabla No.11.A. Características del actuador neumático Samson tipo 3372.

Dimensiones y peso

Figura No.4.A. Dimensiones de la válvula de control de Samson v2001 tipo 3321 pp con actuador

3372

103

Anexos

Tabla No.12.A. Dimensiones de la válvula de control de Samson v2001 tipo 3321 pp con actuador

3372

104

Anexos

Anexo 2.10

Posicionador electroneumático

SIPART PS2 PA

Los posicionadores electroneumáticos SIPART PS2 se utilizan para regular la

posición de las válvulas actuadas mediante actuador lineal o de giro. El

posicionador electroneumático provoca en el actuador forzadamente una posición

de válvula conforme al valor de consigna. Con entradas de función adicionales es

posible activar el bloqueo o una posición de seguridad de la válvula. El

equipamiento estándar del aparato base incluye una entrada binaria para esta

función. Este posicionador se conecta al bus PROFIBUS PA como esclavo, recibe

la señal de control correspondiente a la válvula y la traduce a una presión que

inyecta en el actuador, asegurando así el movimiento del vástago y, por tanto, el

por ciento de apertura de la válvula. Debe señalarse que este elemento es capaz

de medir la posición del vástago y tomar las acciones correspondientes para

asegurar que dicha posición sea la exigida. [16]


Fabricante Siemens

Principio de Funcionamiento Electromagnético

Rango de carrera (lineal) 3 – 130 mm (0.12 – 5.12 pulgadas)

Tiempo de muestreo (A/D) 10 ms

Resolución (A/D) ≤0.05 %

Presión alimentación PN 40 / 600 PSI

Temperatura (rango) -30 – 80 Cº

Material de revestimiento Plástico

Presión de Alimentación 1,4 – 7 bar (20.3 – 101.5 psi): Superior a la presión de actuación máx.(presión de mando)

Protección intrínseca IP66 según EN 60 529/NEMA 4x

Comunicaciones HART, PROFIBUS PA o FOUNDATION Fieldbus

Zona muerta - dEbA = Auto - dEbA = 0,1 ... 10%

Alimentación 115 – 220 V (AC)

Tabla No.13.A. Características del posicionador electroneumático Sipart PS2 PA.

105

Anexos

Anexo 2.11

Válvula de seguridad

Tosaca, serie 800 PN25.

Estas válvulas son diseñadas para dar protección por sobre presión en las líneas

de circulación de los fluidos. Si es superada la presión de diseño se dispara el

sello de seguridad y el muelle que existe en el interior desplaza el obturador de

forma tal que se impida la circulación del fluido en el sentido normal, de esta forma

el fluido escapa al ambiente y se elimina el exceso de presión. [29]


Fabricante Tosaca

Angulo de circulación 90°

Conexiones Rosca Gas-NPT

Presión Nominal PN 25

Material Bronce

Temperatura -10 a +260°C

Aplicaciones Vapor, gases, líquidos

Tara mínima 0.2 bar

Sobre presión 10 %

Tolerancia Tara 3 %

Cierre Gases 10, Líquidos 20

Coeficiente de Descarga Gases 0.55, Líquidos 0.48

Tabla No.14.A. Características de las válvulas de seguridad Tosaca serie 800 PN25.

Figura No.5.A. Dimensiones y materiales de la serie 800 PN25.

106

Anexos

Anexo 2.12

PC Industrial

SIMATIC BOX PC 627B

Las SIMATIC Box PC son PC industriales especialmente robustas y fiables.

Tienen un diseño compacto para el montaje universal en máquinas, envolventes

de control y armarios eléctricos. Se destacan por su alto rendimiento a la vez que

necesitan poco espacio; su diseño modular brinda gran facilidad al servicio

técnico.

Son muy útiles para realizar tareas de medición, control, regulación, verificación de

datos de proceso y de máquina, visión artificial industrial con adquisición y

tratamiento de datos, visualización descentralizada con SIMATIC Flat Panels. El

chipset y la memoria son de última tecnología, así como la familia de

procesadores que soporta; puede ser hasta Intel Core 2 Duo. [30]


Fabricante Siemens

Sistemas Operativos Windows XP Professional

Almacenamiento Unidad de disco duro de 120 GB; RAID1

Conexión a red 2 Gigabit Ethernet, 1 MPI/PROFIBUS

Expansiones 1 x PCI (265 mm) y 1 x PCI (175 mm) o 1 x PCI (265 mm) y 1 x PCIe x4 (175 mm)

Controlador gráfico Controlador gráfico Intel GMA950. 128 MB VGA: 1600 x 1200 /32 bits/85 Hz

Discos duplicados Raid1


Protección IP20

Alimentación 110-220 Vac

Tabla No.15.A. Características de la PC industrial Simatic BOX 267B

107

Anexos

Anexo 2.13

CPU del PLC

CPU 416 2DP PCI

Estas CPUs son controladores diseñados para PC, se programan en los

softwares tradicionales de Siemens como Step 7. Tener desarrollado el control

sobre una PC trae las siguientes ventajas:

Control abierto desde PC sobre Windows y fácil comunicación con otras

aplicaciones de software como Office.

Un comportamiento excelente ya que se usan los recursos de la PC así como

comunicación y diagnóstico desde todos los niveles.

Los PLCs con CPUs WinAC están basados en la familia de CPU S7-400 y tienen

integradas una interface MPI-DP y otra DP. El software WinAC empleando su

herramienta ODK (Open Development Kit) permite al programador incorporar

funciones diseñadas sobre aplicaciones de Windows, por ejemplo programas de

C/C++; estos programas se ejecutan fuera del WinAC y son llamados por la CPU

como funciones, lo que da una gran flexibilidad a la programación. [16]


Fabricante Siemens

Bus Máster o esclavo DP

Soporte 32 Esclavos DP, 124 Esclavos MPI

Memoria Principal 1.6MB de Datos, 1.6MB de Código

No. I-O 10KB-10KB

Contadores -Timers 512-512

Bloques de Función 2048 FBs

Software de Programación Step 7 ver. 5.2 o mayor

Operaciones Binarias 0.08 s

Operaciones con enteros 0.08 s

Operaciones con Flotantes 0.48 s

Interfaces con PC PCI

Tabla No.16.A. Características de la CPU 416 2DP PCI de Siemens

108

Anexos

Anexo 2.14

Variador de Velocidad

MICROMASTER 440

Los convertidores de la serie MICROMASTER 440 son convertidores de

frecuencia para la regulación de par y velocidad en motores trifásicos. Los

diferentes modelos, que se suministran, cubren un margen de potencia desde 0,12

Kw hasta 200 Kw (con par constante (CT)) o hasta 250 Kw (con par variable (VT)).

Los convertidores están controlados por microprocesador y utilizan tecnología

IGBT (Insulated Gate BipoIar Transistor) de última generación. Esto los hace

fiables y versátiles. Un método especial de modulación por ancho de impulsos con

frecuencia de pulsación seleccionable permite un funcionamiento silencioso del

motor. Extensas funciones de protección ofrecen una protección excelente tanto

del convertidor como del motor. El MICROMASTER 440 puede utilizarse tanto en

aplicaciones donde se encuentre aislado como integrado en sistemas de

automatización. [31]

Tabla No.17.A. Dimensiones, flujo de aire y refrigerante necesario y pares de apriete para las

conexiones de potencia de la serie MICROMASTER 440.

109

Anexos


Fabricante Siemens

Método de Control Control V/f lineal; Control V/f lineal con Flux Current Control (FCC); U Control V/f cuadrático; Control V/f multipunto; Control V/f lineal con modo ECO; Control V/f para aplicaciones textiles; Control V/f con FCC para aplicaciones textiles; Control V/f con consigna de tensión independiente; Sensor less Vector Control; Sensor less Vector-Torque Control.

Salida de Relé 3, parametrizable 30 V DC / 5 A (carga resistiva), 250 V AC 2 A (carga inductiva)

Salida Analógica 2, parametrizable (0 a 20 mA)

Entradas Digitales 6, parametrizable (libre de potencial), conmutables entre activa con high / activa con low (PNP/NPN)

Entrada Analógica 2, parametrizables, 0 V a 10 V, 0 mA a 20 mA y –10 V a +10 V (ADC1) 0 V a 10 V y 0 mA a 20 mA (ADC2)

Alimentación • Alimentación 1 AC 200 V a 240 V ± 10 %, 47 - 63 Hz

Potencia • 0,12 Kw – 3,0 Kw

Frecuencia de Salida • 0 Hz a 650 Hz

Factor de Potencia • ≥0.7

Rendimiento • Tamaños constructivos A hasta F 96 a 97 % • Tamaños constructivos Fx y GX 97 a 98 %

Temperatura de Op. Tamaños constructivos A hasta F: -10 °C â +50 °C (CT) -10 °C a +40 °C (14 °F a 104 °F) (VT) Tamaños constructivos FX y GX: 0 °C a +40 °C, a 55 °C con reducción de la potencia.

Humedad relativa < 95 % (sin condensación)

Comunicaciones Posee dos interfaces de comunicación en serie, que pueden funcionar simultáneamente: • Interface BOP

5.

• Interface COM - RS-485, opcionales RS-232. A esas interfaces se le pueden conectar diferentes unidades: p. ej. Paneles de mando como el BOP y el AOP

6, PCs con DriveMonitor

y STARTER, tarjetas de interface para PROFIBUS DP, DeviceNet y CAN, controles programables con procesadores para comunicación etc.

Protección Intrínseca IP20

Otras Protecciones Mínima tensión, sobretensión, sobrecarga, defecto a tierra, cortocircuito, protección basculante, protección de bloqueo del motor, sobretemperatura en motor, sobretemperatura en convertidor, bloqueo de parámetros.

Tabla No.18.A. Características del variador de velocidad MICROMASTER 440.

5 BOP(Basic Operator Panel)

6 AOP(Advanced Operator Panel)

110

Anexos

Figura No.7.A. Diagrama en bloques del MICROMASTER 440.

111

Anexos

Anexo 2.15

Dispositivo de periferia descentralizada

ET 200M. IM 153-2 La ET 200M es una unidad periférica modular que puede ampliarse con los

módulos de señales de la familia SM de Siemens. Existe disponible una amplia

gama de módulos por lo que la ET 200M es muy útil para ejecutar tareas de

automatización, individuales y complejas. Tiene la posibilidad de utilizar módulos

de entrada y de salida analógica Ex con HART lo que optimiza la ET 200M para

control de procesos. También es apta para su uso en sistemas redundantes. [46]

Se caracteriza por ser una estación pasiva (esclavo) en el bus de campo

PROFIBUS DP y se puede utilizar también como esclavo DP V1; cuenta además

con velocidad máxima de transmisión de 12 Mbits/s. Puede configurarse con

elementos de bus activos, esto permite sustituir los módulos de E/S del PLC

durante el funcionamiento, es decir bajo tensión y los módulos restantes siguen

funcionando normalmente. [16]


Fabricante Siemens

Protocolo de transmisión PROFIBUS

Direccionamiento 128 entradas y 128 salidas

Numero de módulos 8 máx.

Intensidad de salida, máx. 90 mA sobre PROFIBUS.

Temperatura 0 a 60 °C

Dimensiones 40x125x120 mm

Protección IP 20

Aislamiento 500V máx.

Alimentación 24 Vdc, 625 mA

Tabla No.19.A. Características de la ET200M IM153-2.

112

Anexos

Entradas y salidas digitales

MÓDULOS SM 321 y 322 La maqueta cuenta con una unidad o módulo SM 321 de entradas digitales

conectada a la ET200M; mediante este se recogen los valores de las variables

lógicas del equipo, que pueden indicar alarmas, encendido y apagado de algunos

elementos, estados de trabajo, etc. Existe además un módulo de salidas digitales

SM322 al cual se encuentran conectados los accionamientos de la maqueta y las

protecciones.

Estos módulos transmiten y reciben los datos a la CPU sobre él un Bus

PROFIBUS DP, usando como elemento de enlace la ET 200M/IM153-2 que

gestiona la comunicación de estos módulos por PROFIBUS DP. [16]


Fabricante Siemens

Cantidad de entradas 32

Aislamiento Octoacoplador,1500Vdc

Longitud del cableado 1000m

Retardo de entrada Parametrizable, 25ms

Dimensiones AxAxP 40x125x120mm

Alimentación 24-48 Vdc Tabla No.20.A. Características del módulo de entradas digitales SM321.


Fabricante Siemens


Aislamiento Octoacoplador, 500Vdc

Longitud del cableado 1000m

Frecuencia de excitación Coh,100Hrz; Cind, 0.5Hrz

Protección de corto Electrónico


Salidas 24 Vdc, 0.5 A

Alimentación 24-48Vdc Tabla No.21.A. Características del módulo de salidas digitales SM322.

113

Anexos

Entradas y salidas analógicas MÓDULOS SM 331 y 332 La maqueta cuenta con una unidad o módulo SM 331 de entradas analógicas

conectado a la ET200M; en él se recogen los valores de las variables del proceso,

que se indican, registran y procesan; las conexiones de 4-20mA de los

transmisores se conectan a estos módulos y luego son transmitidas a la CPU a

través de la ET200M empleando una red PROFIBUS DP. Existe además un

módulo de salidas digitales SM3R2 al cual se encuentran conectados los

variadores de velocidad MICROMASTER 440.


Fabricante Siemens


Tensión de entrada 20V máx.

Corriente de entrada 40mA máx.

Resolución 13bits


Alimentación 24 Vdc Tabla No. 22.A. Características del módulo de entradas analógicas SM331.


Fabricante Siemens

Cantidad de salidas 8

Salidas de tensión 0-10V, mas menos 10V, 1-5V

Salidas de corriente 4-20mA, 0-20mA,

Resolución 11bits

Tiempo de conversión 0.8 ms


Corto circuito 25mA máx.

Alimentación 24-48Vdc Tabla No.23.A. Características del módulo de salidas analógicas SM332.

114

Anexos

Anexo 2.16

Acoplador DP/PA MÓDULO DP PA Link IM 157 El DP/PA Link se forma con un módulo de interface IM 157 y uno o varios

acopladores DP/PA. Todos los componentes se interconectan a través de

conectores de bus posterior S7. En la maqueta el uso de los acopladores DP/PA,

posibilita que los dispositivos de campo sean direccionados directamente por la

CPU como esclavos del bus PA; los acopladores DP/PA son transparentes y no

necesitan configuración alguna.

Estos módulos se utilizan en caso de grandes capacidades funcionales y altos

requisitos de respuesta temporal; operan como esclavos en PROFIBUS DP y

como maestros en PROFIBUS PA. Sus funciones son: conversión del formato de

datos asíncrono (11 bits/carácter) a síncrono (8 bits/carácter), adaptación de la

velocidad de transmisión, alimentación de los dispositivos de campo y limitación,

mediante barreras, de la corriente alimentada. Los acopladores DP/PA deben

situarse siempre al final del cable PA. La resistencia terminadora integrada en la

caja está siempre activada. Cada acoplador DP/PA dispone de una resistencia

terminadora activable a voluntad lo que permite prolongar el cable PA. [16]


Fabricante Siemens

Velocidad DP 9,6Kbs – 12Mbs máx.

Velocidad PA 45,45 Kb/s máx.

Conversión de Datos 11Bits asincronismos a 8 Bits sincrónicos

Temperatura -25...+60 °C

Protección IP 20

Dimensiones IM157- Acoplador 40 x 125 x 130 mm- 80 x 125 x 130

Alimentación IM157- Acoplador 24 Vdc, 100m, 400mA

Tabla No. 24.A. Características del módulo DP PA Link IM157.

115

Anexos

Anexo 2.17

Fuente de alimentación

FUENTE PS 307 Las fuentes de alimentación PS 307-1E están diseñadas para alimentar las ET

200M en los sistemas que presentan periferia descentralizada y a los dispositivos

de enlace DP/PA. Se conectan en el rack de la gama de aparatos S7, siendo un

módulo más dentro del mismo. [16]


Fabricante Siemens

Corriente 5A

Entrada Monofásica

Tensión de Salida 24 Vac.

Protección contra Corto.C. Desconexión electrónica y arranque aut.

Soporte en Corto.C. Hasta 9A rems.

Dimensiones 50 x 125 x 120 mm

Temperatura -40 – 85 °C

Grado de Protección IP 20

Fusible de entrada 4A/250 V

Frecuencia 47….50/60….63 Hz

Alimentación 85….120/230….265 Vac

Tabla No. 25.A. Características de la fuente de alimentación PS 307.

116

Anexos

Anexo 3 Parametrización del Sitrans F M MAG 6000I

117

Anexos

Parametrización del Sitrans F C MASS 6000

118

Anexos

Anexo 4

Identificación del proceso de nivel y ajuste del controlador Descripción de la instalación

La instalación cuenta con dos tanques comunicados por una válvula manual de

bola que se abre totalmente para desarrollar el experimento. Existe instalada una

bomba centrífuga que succiona el impulsa agua de ambos tanques a ellos

mismos; es decir, la recircula. En la entrada del tanque No.1, se encuentra una

válvula de control, y en su salida un transmisor de nivel (Fig. 8.A).

Figura No.8.A. Instalación para la identificación del proceso de nivel.

El proceso fue estimulado actuando directamente sobre la válvula (variando su

porciento de apertura) a través de una aplicación SCADA de la cual se extraerán

posteriormente los datos del experimento. El transmisor de nivel realiza la

medición en [bar] (presión diferencial respecto a la atmosférica que produce la

columna de líquido) y esta calibrado para medir además de la presión que ejerce

la columna del tanque la de la pequeña porción de tubería que conecta al

transmisor.

Los datos de nivel se tomaron incluyendo la altura de la tubería de conexión del

transmisor, ya que en las aplicaciones de visualización y procesamiento, que

pueden realizarse en PCs o PLCs, es posible escalar la medición para trabajar

solamente con el nivel del tanque. Para convertir la presión diferencial de la

columna de líquido basta con aplicar la siguiente ecuación: [27]

119

Anexos

Puede decirse que la presión diferencial en el transmisor es:

PT = P1 – P2 Donde: P1 = PCL + PAtm. Y P2 = PAtm.

Luego:

PT = PCL = γghCL (1)

Donde:

γ: Densidad del agua [1gm/cm3 a 25 °C].

g: Constante gravitacional de la tierra [9.8 m/s2].

hCL: Altura de la columna de líquido.

Tomando a PT en bar y despejando de (1) se obtiene que:

hCL = PT/0.098 [m].

De esta forma es posible tener el nivel de la columna de a partir de la señal del transmisor. Corrección de la medición.

Figura No. 9.A. Corrección de la medición de nivel.

En la figura No. 9.A se observa que el error es de 0.2m debido a la tubería de

conexión del transmisor, por lo tanto, a cada valor de nivel medido se le debe

restar 0.2m y así se tendrá la altura de la columna en el tanque.

Recopilación de los datos

Para obtener los datos característicos del comportamiento del nivel en el tanque

No.1 de la maqueta se desarrollaron tres experimentos.

LT

1 m

0.2 m

120

Anexos

Experimento No.1 (Paso escalón)

En este experimento se posicionó la válvula de control a un 10% con la bomba

encendida con una alimentación de 220V/60Hz, de forma tal que el flujo fuera

constante (pueden existir fluctuaciones debido a la propia bomba; el valor del flujo

se verificó con el transmisor electromagnético que está instalado en la línea de

alimentación del tanque No.1, capítulo 2). Una vez ejecutadas las acciones

anteriores se esperó a que el sistema alcanzara el estado estacionario (alcanzado

con un valor de 0.7204m de nivel en el tanque No.1); en ese momento se abrió la

válvula de control al 85% constituyendo esto un paso de amplitud 75% de

apertura. El proceso de muestreo (Periodo de muestreo de 1 segundo) se

comenzó 16 segundos antes de dar el paso una vez que ya se había alcanzado el

estado estacionario, se tomaron muestras hasta que se alcanzó nuevamente el

estado estacionario.

Figura No.10.A. Resultados del experimento No.1. Izquierda (Estimulo), Derecha (Respuesta).

Tras haber analizado los resultados se puede afirmar que el tiempo de

establecimiento para el 5% es de 124 segundos, y que existe un retardo de

transporte de 2 segundos ya que el paso fue dado a los 16 segundos y se

comenzó a tener respuesta a los 18. Se puede observar además que existen

pequeñas fluctuaciones, estas no serán consideradas como ruido ya que no

sobrepasan el centímetro de amplitud y pueden haber sido provocadas por la

entrada caída del fluido en el tanque.

Estudio y acondicionamiento de los datos Análisis de autocorrelación

Las gráficas que se muestran a continuación representan la autocorrelación de los

datos tomados del proceso. (Anexo 5)

121

Anexos

Figura No. 11.A. Gráficas de autocorrelación. Izquierda (Salida), Derecha (Entrada).

Al observar las gráficas de autocorrelación anteriores puede verse que existen

varios coeficientes por encima de 0.8 por lo que la autocorrelación de los datos

obtenidos en el experimento es buena y el período de muestreo adecuado.

Figura No. 12.A. Gráfica de autocorrelación de entrada vs salida.

En la autocorrelación cruzada de la entrada y la salida se puede observar que

prácticamente no aparece el retardo de transporte (en la respuesta temporal

aparecen 2 segundos) ya que en cero existe una fuerte correlación que se

mantiene casi constante hasta el 10mo período de muestreo.

Análisis de ruidos

Cuando fueron observadas las gráficas correspondientes a los datos recopilados

del experimento se afirmó que las fluctuaciones que existen no se iban a tomar

como ruido ya que eran muy pequeñas. A continuación se realiza un análisis de

frecuencia de los datos empelando la “Transformada Rápida de Fourier” (TRF)

mediante el comando “fft” de “Matlab”. (Anexo 5)

122

Anexos

Figura No. 13.A. Análisis frecuencial de los datos con TRF. Derecha (Salida), Izquierda (Entrada).

De las gráficas anteriores se puede decir que toda la energía se concentra en las

bajas frecuencias, por lo que la presencia de ruido es nula ya que el mismo es una

señal caótica que se manifiesta a altas frecuencias. Por tanto no será necesario el

uso de filtros para el acondicionamiento de los datos.

Experimento No.2 (Paso escalón)

En este experimento se repitieron los mismos pasos del Experimento No.1, con la

única diferencia de que en este caso la variación de la apertura de la válvula

estuvo entre el 20 y el 60%. El objetivo fundamental por el que se desarrolló este

experimento fue el simple hecho de validar el modelo que se obtendrá

posteriormente con los datos del experimento No.1. De esta forma se verá si el

modelo es capaz de responder igual que el proceso bajo un estímulo distinto.

Figura No. 14.A. Resultados del experimento No.2. Izquierda (Estímulo), Derecha (Respuesta).

Estudio y acondicionamiento de los datos Análisis de autocorrelación

Las graficas que se muestran a continuación representan la autocorrelación de los


123

Anexos


Al observar las gráficas de autocorrelación anteriores, puede verse que existen

varios coeficientes por encima de 0.8 por lo que la autocorrelación de los datos

obtenidos en el experimento es buena y el período de muestreo adecuado.

Figura No. 16.A. Gráficas de autocorrelación cruzada entrada vs salida.

Nótese la similitud entre las gráficas de correlación de los experimentos 1 y 2 esto

se a la similitud de las condiciones y estímulos que se tomaron para ambos

experimentos.

Análisis de ruidos

Este análisis se realiza igual que el experimento No.1.

Figura No. 17.A Análisis frecuencial de los datos con TRF. Derecha (Salida), Izquierda (Entrada).

124

Anexos

Al igual que en el experimento No.1 puede decirse que toda la energía se

concentra en las bajas frecuencias por lo que no hay presencia considerable de

ruidos.

Experimento No.3 (Secuencia pseudo-aleatoria)

Para realizar este experimento se realizaron las mismas modificaciones a la

instalación que en los experimentos anteriores. Esta fue la prueba más fuerte que

se aplicó al sistema; y así se pudo adquirir información de la dinámica del mismo.

Para generar la secuencia de pulsos se utilizó el comando de “Matlab idinput” que

genera secuencias de diferentes tipos incluyendo las “PRBS” que fueron utilizadas

en el experimento. (Anexo 5)

El período de muestreo se escogió teniendo en cuenta que el tiempo de

establecimiento para el experimento No.1 fue de 124 segundos; entonces

considerando escoger el tiempo de muestreo menor igual que el 10% del

establecimiento del proceso para un paso.

Figura No. 18.A. Datos del sistema estimulado con secuencia pseudo-aleatoria.

En total fueron recolectadas 1053 muestras y la variación de nivel estuvo entre

0.758 y 0.704 metros.

Estudio y acondicionamiento de los datos

Análisis de autocorrelación

Las gráficas que se muestran a continuación representan la autocorrelación de los


125

Anexos


En las grafica anteriores es apreciable que para la salida, la autocorrelación es

muy buena ya que existen cerca de 10 puntos por encima de 0.8. En el caso de la

salida hay dos puntos por encima de 0.8 y otro muy cercano, y por tanto se puede

considerar también la autocorrelación como buena. En este momento es posible

afirmar que el período de muestreo que se seleccionó es adecuado para realizar el

experimento.

Figura No. 20.A. Gráficas de autocorrelación cruzada entrada vs salida.

En este caso se encuentran los mayores valores de autocorrelación entre los

instantes de muestreo dos y tres, lo que implica la existencia de un retardo de

tiempo en el sistema. Como existen valores por encima de 0.8 la correlación es

buena y una vez más se afirma que el período de muestreo es adecuado.

126

Anexos

Análisis de ruidos

Este análisis se realiza igual que el experimento No.1.

Figura No. 21.A. Análisis frecuencial de los datos con TRF. Derecha (Salida), Izquierda (Entrada).

En este caso la mayor fuerza de las señales se concentra en las bajas

frecuencias, por lo que no hay presencia de ruido.

Obtención del modelo no paramétrico

Emplear un paso escalón para identificar un proceso es una vía cómoda y sencilla

para obtener modelos no paramétricos, ya que generar el estímulo es my fácil y el

experimento tiene poco tiempo de duración. La forma de determinar los

parámetros del modelo estará en dependencia de la forma del mismo. [33]

Si se observa la figura 22.A se puede decir que es la respuesta típica de un

modelo de primer orden (característica de los proceso de nivel). Es posible dar

esta afirmación ya que no existe un punto de inflexión definido, en la etapa de

crecimiento del nivel después que fue estimulado el proceso con un paso escalón.

Ya fue vista la presencia de un retardo en la salida, por lo que el modelo a estimar

es de primer orden con retardo.

El método que se empleó fue el de primer orden con retardo, que plantea:

La ganancia del modelo es la variación de la salida sobre la variación del

estímulo.

La constante de tiempo es el instante en que se alcanza el 63.2 % de valor

de estado estacionario menos el instante to en que comenzó a responder

el proceso.

El retardo de transporte es igual t0 (tiempo en que comienza a responder

el proceso) menos el instante de tiempo en que se estimuló el sistema con

el paso escalón.

127

Anexos

Figura No. 23.A. Análisis gráfico de la repuesta temporal para estimar el modelo.

Figura No. 24.A. Análisis gráfico del paso escalón para estimar el modelo.

Del análisis anterior se obtiene (Fig. 23.A):

Km = 0.0007467 [m/%A] = 0.07467 [cm/%A]

Tm = 32.88 [s]

ζm = 2 [s]

Luego:

16s

128

Anexos

Validación del modelo no paramétrico

El primer paso para validar este modelo fue comparar la respuesta del mismo con

los datos recopilados en experimento No.1.

Para ello se empleó la función “compare” del software “Matlab”, a este comando

se le pasan como parámetros un objeto “iddata” donde están almacenados los

datos de estímulo y respuesta del experimento, y otro “idmodel” que representa

la estructura del modelo. (Anexo 5)

Un segundo paso fue desarrollar el procedimiento anterior para los datos del

experimento No.2.

Figura No. 25.A. Validación del modelo con datos de: experimento No.1 (Izquierda) y experimento

No.2 (Derecha).

Se realizó además un tercer paso que consistió en validar el modelo no

paramétrico con los datos del experimento No.3. Para ello se empleó en toolbox

“Ident”.

Figura No. X.Y. Presentación y validación del modelo no paramétrico en el “Ident”.

Figura No.26.A Presentación y validación del modelo no paramétrico en el “Ident”.

129

Anexos

Figura No. 27.A. Autocorrelación y correlación cruzada de los residuos.

En la figura 27.A se observa que los gráficos de correlación no son buenos por lo

que este modelo no cumple con el intervalo de confianza exigido para los datos de

experimento No.3.

Experimento Coincidencia

Experimento No.1 95.31%



Tabla No. 26.A Resultados de la validación.

Obtención del modelo paramétrico

Debido a los problemas de autocorrelación del modelo no paramétrico estimado

en la sección anterior, se decidió obtener un modelo paramétrico empleando los

datos del experimento No.3 y el toolbox “Ident” de “Matlab”.

Primeramente se acondicionaron los datos empleando la función “QuickStart” del

“Ident”. Esta función elimina los valores medios de las muestras y divide los datos

del experimento en dos secciones: una para estimar y la otra para validar.

El modelo que mejores características presentó fue un arx112 (Fig. 28.A). Por lo

tanto se puede afirmar que el retardo es aproximadamente de dos segundos,

situación que se analizó en la gráfica de autocorrelación cruzada de

entrada/salida.

Figura No. 28.A. Presentación de los coeficientes y validación del modelo arx112.

89.4

9%

na = 1 nb = 1 nk = 2

130

Anexos

Figura No. 29.A. Autocorrelación y correlación cruzada de los residuos (izquierda). Diagrama de

polos y ceros del modelo (Derecha).

En las figuras anteriores se observa que los residuos están dentro del intervalo de

confianza y que todos los polos del modelo se encuentran dentro del círculo

unitario; por lo tanto el modelo es adecuado y estable.

Figura No. 30.A. Respuesta a lazo abierto del modelo ante un paso unitario (Izquierda) y

validación empleando datos del experimento No.1 (Derecha).

Según los resultados obtenidos al estimar y validar los modelos anteriores se

decidió emplear para el ajuste del controlador el modelo arx112. Este presentó un

mejor porciento de coincidencia para los datos de todos los experimentos y la

autocorrelación de sus residuos quedó dentro del intervalo de confianza.

Convirtiendo el modelo discreto arx112 en continuo se obtuvo (Anexo 5):

89.59%

131

Anexos

Ajuste del controlador

Para estimar los parámetros de ajuste del controlador a emplear en la práctica de

control de nivel, se utilizó la herramienta de “Matlab”, “Signal Constraint” que se

encuentra en “Simulink”. Mediante ella es posible calcular los parámetros

óptimos de un contralor para la respuesta deseada del sistema de control.

Figura No. 31.A. Diagrama del sistema para hallar los parámetros del controlador empleando

“Signal Constraint”.

Controlador K [%/cm] Ti [s] Td [s] Test. [s] %PM Eest. [cm]

P 114.3054 0 0 13.5 4.4 0.095

PI 95.9896 9.49 0 10.11 0.25 0

PID 149.7333 48.886 0.809 9.5 0.2 0

Tabla No. 27.A. Resultados del ajuste.

Resultados gráficos:

Figura No. 32.A. Respuesta temporal del sistema para controlador P (Izquierda) y PI (Derecha)

ante un paso unitario por la referencia.

Figura No. 33.A. Respuesta temporal del sistema para controlador PID ante un paso unitario.

132

Anexos

En la tabla 27.A se observa que la mejor respuesta se obtuvo con el controlador

PID. Desde el punto de vista docente, este controlador es más rico ya que está

integrado por las acciones P, I y D. Por tanto se seleccionó el mismo para

desarrollar la aplicación del laboratorio.

Consideraciones para el sistema real

Para considerar los efectos del elemento saturador del bloque PID FB 41 (el rango

de entrada del posicionador es de 0-100%) se incluyó en el lazo, la saturación.

Figura No. 34.A. Diagrama de bloques del sistema para controlador PID con saturador.

Al no tomar en cuenta este tipo de alinealidad en la simulación la señal de control

tome valores físicamente imposibles, alejando la simulación de la realidad (Fig.

35.A). Véase como el valor de la señal de control que no toma en cuenta la

saturación supera el límite permisible del posicionador.

Figura No. 35.A. Señal de control con PID sin saturación (Izquierda) y con saturación (Derecha).

Figura No. 36.A. Respuesta del sistema con saturador y controlador PID ante un paso unitario.

160 100

133

Anexos

Al simular la respuesta del sistema con los mismos parámetros de ajuste del

controlador PID y teniendo en cuenta el saturador se obtuvo (Fig. 36.A):

Controlador K [%/cm] Ti [s] Td [s] Test. [s] %PM Eest. [cm]

PID 149.7333 48.886 0.809 11 1.4 0

Tabla No. 28.A. Resultados de la simulación.

Al analizar estos resultados se determinó que el saturador no influye notablemente

en la respuesta del sistema. Por lo que se mantuvieron los parámetros de ajuste

del controlador PID.

134

Anexos

Anexo 5 Comandos y secuencias de “Matlab”

Comando para generar secuencias pseudo-aleatorias

U = IDINPUT (N, Tipo, Banda, Niveles)

Donde:

• N: Longitud de la señal de entrada generada.

• Tipo: Se refiere al tipo de señal que se desea generar.

• Banda: Vector de 1 fila y 2 columnas que contiene la información sobre la

banda de frecuencia para la señal generada.

• Niveles: Vector de 2 filas y 1 columna que contiene la información sobre el

nivel bajo y el alto.

Comando para crear objetos de datos

Datos=IDDATA (S,E,TS)

Donde:

• S: Vector columna que tiene los datos de salida.

• E: Vector columna que tiene los datos de entrada.

• Ts: Período de muestreo.

Comando para crear estructuras de modelo.

IDModel =IDSS (FT)

• FT: Es un modelo matemático (Ej. Función transferencial).

Comando para comparar salidas medidas contra simuladas

COMPARE (IDModel,IDData)

Donde:

• IDModel: Objeto del tipo IDSS.

• DATA: Objeto del tipo IDDATA.

135

Anexos

Secuencia para comparar la salida de un modelo con los datos del

experimento

Datos=IDDATA (S,E,TS) % Pasar las mediciones y el tiempo de muestreo

(1s).

IDModel =IDSS (FT) % Crear una estructura de modelo.

COMPARE (IDModel,IDData) % Obtener la gráfica y el grado de coincidencia.

Comandos para realizar análisis de ruido

FR = FFT (Datos) %Hallar la transformada discreta de Fuorier al

vector “Datos”.

P = FR.* conj (FR)/814; %Hallar la conjugada compleja de FR.

FREC = [1:100]; %Generar un vector de frecuencia entre 0 y 100.

plot(FREC,abs(P(FREC))) %Hallar el módulo de los valores conjugados P

evaluados en FREC.

Comando para calcular autocorrelación de los datos obtenidos

experimentalmente

[ACF, Lagsy, margenes_y] = AUTOCORR (Datos); % Calcular la autocorrelación

del vector Datos.

STEM (Lagsy,ACF) % Plotear los valores de autocorrelación.

Comando para calcular correlación cruzada, de datos de entrada y

salida obtenidos experimentalmente

[XCF, Lagsuy, margenes_uy] = CROSSCORR (E,S); %Calcular la correlación

cruzada entre los vectores

E(entrada) y S(salida).

STEM (Lagsuy,XCF) % Plotear los valores de autocorrelación.

136

Anexos

Comandos para convertir el modelo discreto arx112 en continuo

>> arx112

Discrete-time IDPOLY model: A(q)y(t) = B(q)u(t) + e(t)

A(q) = 1 - 0.9754 q^-1

B(q) = 1.857e-005 q^-2

Estimated using ARX from data set mydatade

Loss function 4.29088e-007 and FPE 4.32376e-007

Sampling interval: 1

>> Cont=d2c (arx112)

Continuous-time IDPOLY model: A(s)y(t) = B(s)u(t) + C(s)e(t)

A(s) = s + 0.02494

B(s) = 1.88e-005

C(s) = s + 1.013

Input delays (listed by channel): 2

Estimated using ARX from data set mydatade

Loss function 4.29088e-007 and FPE 4.32376e-007

>> Ft=tf(Cont)

Transfer function from input "u1" to output "y1":

1.88e-005

exp(-2*s) * -----------

s + 0.02494

137

Anexos

Anexo 6 Tabla de símbolos definida en la programación

Anexo 7

138

Anexos

Anexo 7 Parametrización de la Red Anexo 7.1 Asignación de la dirección al bus PROFIBUS DP

Figura No. 37.A. Asignación de la dirección 1 al bus PROFIBUS DP.

2 1

3

139

Anexos

Anexo 7.2

Módulos insertados

Figura No. 38.A. Módulos insertados al IM 153-2.

140

Anexos

Anexo 7.3

Inserción del DP/PA Link y asignación de su dirección

Figura No. 39.A. Inserción del DP/PA Link y asignación de su dirección. .

1

2

3

3

141

Anexos

Anexo 7.4 Inserción de los esclavos PA

1. Posicionador.

Figura No. 40.A. Inserción del posicionador y asignación de la dirección 4.

1 2

3

4

142

Anexos

2. Flujómetro electromagnético.

Figura No. 41.A. Inserción del flujómetro electromagnético y asignación de la dirección 5.

1 2

3

5

143

Anexos

3. Medidor de presión diferencial. Figura No. 42.A. Inserción del medidor de presión diferencial y asignación de la dirección 6.

1 2

3

6

144

Anexos

4. Flujómetro de Coriolis.

Figura No. 43.A. Inserción del flujómetro de Coriolis y asignación de la dirección 7.

1 2

3

7

145

Anexos

Anexo 7.5

Direcciones asignadas por defecto

1. Posicionador.

Figura No. 44.A. Direcciones asignadas al posicionador.

2. Flujómetro electromagnético.

Figura No. 45.A. Direcciones asignadas al flujómetro electromagnético.

3. Medidor de presión diferencial.

Figura No. 46.A. Direcciones asignadas al medidor de presión diferencial.

4. Flujómetro de Coriolis.

Figura No. 47.A. Direcciones asignadas al flujómetro de Coriolis.

146

Anexos

Anexo 8 Programación del PLC Anexo 8.1 Laboratorio de válvula

Figura No. 48.A. Programación del FB1.

147

Anexos

Anexo 8.2

Laboratorio de KOP


148

Anexos

Anexo 8.3

Laboratorio de control On-Off


149

Anexos

Anexo 8.4

Laboratorio del canal de medición de temperatura


Anexo 8.5

Programación de la función de control (FC1)

Figura No. 52.A. Llamada y reset del laboratorio de válvula.

150

Anexos

Figura No. 53.A. Llamada y reset del laboratorio de control On-Off.

Figura No. 54.A. Llamada y reset del laboratorio de KOP.

151

Anexos

Figura No. 55.A. Llamada del laboratorio del canal de medición.

Anexo 8.6

Programación del tratamiento de condiciones anormales (FC2)

Figura No. 56.A. Vigilancia de nivel alto.

152

Anexos

Figura No. 57.A. Vigilancia del arranque y apagado de los variadores de velocidad.

153

Anexos

Figura No. 58.A. Vigilancia del comportamiento del flujo.

Figura No. 59.A. Vigilancia del aire de alimentación de la válvula.

154

Anexos

Anexo 8.7

Programación del OB35

Figura No. 60.A. Controlador PID para el laboratorio de PID con proceso simulado.

Proceso Simulado

155

Anexos

Figura No. 61.A. Controlador PID del laboratorio de control de nivel.

Convertir a centímetros

Corregir la medición

156

Anexos

Anexo 8.8

Programación del OB1

Figura No. 62.A. Llamada a las funciones de control de laboratorio y tratamiento de condiciones

anormales.

157

Anexos

Anexo 9

Elementos de la aplicación SCADA

Anexo 9.1

Programación de la herramienta de exportación

BOOL _main(char* lpszPictureName, char* lpszObjectName, char*

lpszPropertyName)

{

#define MaxLineLength 80

if(GetTagByte("ts")==0x1){ // Con el uso de “Option Group” se permite la selección

//del tiempo de muestreo deseado, para ello solo cambia el

//ciclo en que se ejecuta el código mostrado.

FILE*fpfile;

char*strtag[8]={"Nivel","RPM1","RPM2","Pos_Vastago","Flujo_magnetico","Flujo_coriolis"};

char *strfile[8]={"D:/Maqueta/Nivel.xls","D:/Maqueta/RPM bomba1.xls","D:/Maqueta/RPM

bomba2.xls","D:/Maqueta/Posición del Vastago.xls","D:/Maqueta/Flujo en medidor

magnetico.xls","D:/Maqueta/Flujo en medidor coriolis.xls"};

//Los valores de las variables se almacenan en D: /Maqueta/

//Por cada variable se crea un fichero XLS

char buffer[MaxLineLength];

double dval;

int i=0;

WORD counter=GetTagWord("nmuestras1");

if(GetTagBit("muestras1")){

int Sel = GetTagWord("sel");

while(i<8)

{

if(Sel%2){

fpfile = fopen(strfile[i],"a");

if(fpfile != NULL){

dval = GetTagDouble(strtag[i]);

sprintf(buffer,"%lf\n",dval);

fputs(buffer,fpfile);

fclose(fpfile);

}

158

Anexos

}

Sel=Sel/2;

i++;

}

SetTagWord("nmuestras1",++counter);

}

Anexo 9.2

Programación de la herramienta contadora del tiempo de turno

Contador de 45 minutos

BOOL _main(char* lpszPictureName, char* lpszObjectName, char* lpszPropertyName)

{

BYTE cont;

if( GetTagBit("bool1") && GetTagBit("Conteo")==0x1) //Con el uso de “Option Group” se

//selecciona el tiempo. Este

//ciclo se ejecuta cada 5

//minutos incrementando un

//contador que compara con 9

//(9*5minutos=45minutos).

{

cont = GetTagByte("contador");

if (cont == 9)

{

SetTagBit("bool1", 0);

SetTagByte("contador",0);

cont =0;

SetTagBit("Mostrar",1); //Return-Type: BOOL

}

SetTagByte("contador",++cont);

}

}

159

Anexos

Contador de 90 minutos

BOOL _main(char* lpszPictureName, char* lpszObjectName, char* lpszPropertyName)

{

BYTE cont;

if( GetTagBit("bool1") )

if (GetTagBit("Conteo")==0x2) //Con el uso de “Option Group” se

//selecciona el tiempo. Este

//ciclo se ejecuta cada 10

//minutos incrementando un

//contador que compara con 9

//(9*10minutos=90minutos).

{

cont = GetTagByte("contador");

if (cont == 9)

{

SetTagBit("bool1", 0);

cont =0;

SetTagByte("contador",0);

SetTagBit("Mostrar",1);

}

SetTagByte("contador",++cont);

}

}

160

Anexos

Anexo 10

Propuesta de comunicación con servidor OPC de Kepware

Anexo 10.1

Configuración del DCOM

Una vez instalado el KepWare se deben configurar las siguientes componentes de

Windows®:

1. Configurar el Firewall de Windows® en la pestaña “Exceptions”, agregando

todos los servidores y clientes OPC a la lista de excepciones. Se deben

agregar también mmc.exe y opcenum.exe (si no se encuentran en la lista

buscar en “C:\Windows\System32” presionando el botón, “Add Program” y

luego “Browse”). Por último se asegura que se encuentre seleccionado “File

and Printer Sharing”

Figura No. 63.A. Configuración del Firewall de Windows®.

2. Agregar el puerto 135 de TCP (necesario para iniciar las comunicaciones

DCOM). Seleccionada la pestaña “Exceptions” en el Firewall de Windows®, dar

un clic en “Add Port”.

En el cuadro de diálogo, llenar los campos como sigue:

Name: DCOM

Port number: 135

Seleccione el “Radio Button” TCP

161

Anexos

Figura No. 64.A. Configuración del puerto.

Configurando DCOM

1. “Start” “Run”, teclear “DCOMCnfg” y dar clic en “OK”

Figura No. 65.A. Ejecutar los servicios de componentes.

2. Dar un clic derecho en “My Computer” seleccionando “Properties”

Figura No. 66.A. Acceder a las propiedades de los servicios de componentes de la PC.

3. Seleccionar la pestaña “COM Security”.

162

Anexos

Figura No. 67.A. Acceder a la seguridad de COM.

4. Seleccionar “Edit Limits…” en “Access Permissions”.

Marcar el acceso remoto y local para los usuarios “ANONYMOUS LOGON” y

“Everyone”.

Figura No. 68.A. Permisos a otorgar.

5. Seleccionar “Edit Default…” en “Access Permissions” y “Launch and Activation

Permissions”.

Para cada grupo marcar “Local Access” y “Remote Access”.

Figura No. 69.A. Permisos en “Access Permissions”.

163

Anexos

Figura No. 70.A. Permisos en “Launch and Activation Permissions”.

6. Reiniciar la PC al concluir.

Anexo 10.2

Configuración del servidor

Una vez abierto el servidor este tendrá el último proyecto realizado o si es la

primera vez, abrirá un demo.

Figura No. 71.A. Ventana principal del servidor Kepware.

Configuración del Canal

El primer paso es la creación del Canal seleccionando en la Barra de

Herramientas “New Channel” (Fig. 72.A).

164

Anexos

Figura No. 72.A. Creación del canal.

Seguidamente aparecerá la ventana en la cual se podrá cambiar el nombre del

Canal (Fig. 73.A).

Figura No. 73.A. Se le asigna el nombre del canal.

Después de aceptar los cambios en el botón “Siguiente”, se selecciona el Driver

de Comunicación que será aplicado. Para la configuración se escoge el protocolo

“Siemens S7 MPI”, el cual presenta la Slot PLC (Fig. 74.A).

Figura No. 74.A. Selección del driver.

165

Anexos

Para aceptar la selección se presiona el botón “Siguiente”, donde aparece la

ventana “Communications” en la que se realiza la configuración de los siguientes

parámetros (Fig. 75.A):

Figura No. 75.A. Configuración necesaria de los parámetros de comunicación del canal.

Realizado un clic en el botón “Siguiente”, se muestra el cuadro de diálogo “Write

Optimizations”, en la cual se escoge el método de escritura y el número de

escrituras por lecturas (Fig. 76.A).

Figura No. 76.A. Método de escritura.

Una vez oprimido el botón “Siguiente”, aparece el cuadro de diálogo “Driver Setup”

en donde se selecciona la dirección MPI en 2 y 31 la dirección de estación mayor

(Fig. 77.A).

166

Anexos

Figura No. 77.A. Método de escritura.

Una vez oprimido el botón “Siguiente”, aparece el cuadro de diálogo “Channel

Summary”, el cual contiene todas las características que se han configurado en el

Canal. Para completar la configuración, se presiona el botón “Finish” (Fig. 78.A).

Figura No. 78.A. Canal configurado.

Creación y configuración del Dispositivo

Concluida la creación del Canal, el siguiente paso consiste en agregar el

dispositivo a este (contendrá todas las “tags” que se deseen hacer visibles). Un

dispositivo hace referencia a la identificación de un nodo físico o estación en un

enlace de comunicación. Para este trabajo, el dispositivo a crear hará referencia al

Slot PLC. Para añadir el dispositivo, se selecciona el canal al que se añadirá el

dispositivo y en el Menú Contextual seleccionar “New Device” (Fig. 79.A).

167

Anexos

Figura No. 79.A. Configuración del dispositivo.

Escogida la opción “New Device”, aparecerá la siguiente ventana, en la cual se

pondrá el nombre al dispositivo (Fig. 80.A).

Figura No. 80.A. Cuadro de diálogo donde se escribe el nombre del dispositivo.

Dar clic en el botón “Siguiente” para seguir al próximo asistente de configuración.

En esta ventana se selecciona el ID (identificador del dispositivo)en 1 decimal (Fig.

81).

Figura No. 81.A. Selección del ID del dispositivo.

168

Anexos

Después de hacer clic en el botón “Siguiente”, será presentado el cuadro de

diálogo de temporización en este se seleccionan los siguientes valores (Fig. 82.A).

Seguidamente confirmar todas las ventanas que se presentan.

Figura No. 82.A. Elementos de temporización.

Añadir las variables al proyecto

Una vez creado el canal y el dispositivo, el siguiente y último paso es la creación

de las variables, las cuales son las que proporcionan la conexión física con las

variables reales del proceso (“tags”). Para añadir una variable al proyecto, se

selecciona el dispositivo creado. Seleccionado el dispositivo, se crean las

variables usando el Menú Contextual (Fig. 83.A).

Figura No. 83.A. Creación de las variables.

Después de hacer clic en “New Tag”, se presenta el cuadro de diálogo “Tag

Properties”, en el cual se dispone de las siguientes propiedades:

Name: permite nombrar la variable.

Address: especifica la dirección de la variable en el dispositivo.

Description: comentario que se le puede adicionar (opcional).

169

Anexos

Data type: propiedad que determina el tipo de dato que tendrá la variable.

Default: permite al driver escoger el tipo de dato definido para la dirección

de la variable.

Boolean: un bit.

Char: 8 bit con signo.

Byte: 8 bit sin signo.

Short: 16 bit con signo.

Word: 16 bit sin signo.

Long: 32 bit con signo.

Dword: 32 bit sin signo.

Float: valor real de 32 bit norma IEEE.

Double: valor real de 64 bit norma IEEE.

String: cadena de caracteres ASCII.

BCD: dos bytes de BCD empaquetado (rango de valores 0 – 9999).

LBCD: cuatro bytes de BCD empaquetado (rango de valores 0 –

99999999).

Client access: fija el acceso que tendrá un cliente (lectura/escritura, solo

lectura).

Scan rate: proporciona el tiempo de actualización.

En estos campos se crea la variable asignando un nombre, la dirección en el PLC

y el tipo de dato (Fig. 84.A).

Figura No. 84.A. Configuración de una variable (Nivel-Sitrans P).

170

Anexos

Concluida la configuración de la variable se oprimirá el botón “Aceptar” y se dará

por terminada la configuración del servidor OPC.

Anexo 10.3

Configuración del cliente OPC de WinCC

Después de haber realizado los ajustes generales, se procede con la creación del

canal OPC, el cual contendrá las variables que se conectarán al servidor para

obtener los valores deseados.

Realizar la adición del canal OPC presionando con el clic derecho del ratón en el

Explorador de WinCC, sobre “Tag Management” (Fig. 85.A).

Figura No. 85.A. Adición de un driver.

En el Menú Contextual seleccionar “Add New Driver…” y aparecerá el cuadro de

diálogo “Add new driver”, en el cual se selecciona el driver “OPC.CHN” y se pulsa

el botón “Open” (Fig. 86.A).

Figura No. 86.A. Adición del driver OPC.

171

Anexos

Insertado el nuevo driver éste se podrá ver, desplazando el árbol genérico de “Tag

Management” (Fig. 87.A).

Figura No. 87.A. Canal OPC agregado.

Terminada la adición del driver OPC solo resta parametrizar el canal OPC. En el

cliente OPC de WinCC, realizar clic derecho sobre “OPC Groups (OPCHN Unit#1)”

y escoger “System Parameter” (Fig. 88.A).

Figura No. 88.A. Creación de una conexión con un servidor OPC.

A continuación se abre la ventana “OPC Item Manager”. En este cuadro de diálogo

se busca la PC, en la cual se encuentra el Servidor OPC al que se desea acceder

(Fig. 89.A).

Figura No. 89.A. Buscador del servidor en la red.

172

Anexos

Luego se pulsa el botón “Computer…” y se escribe en el cuadro de diálogo el

nombre o el número IP de la máquina a la que se desea acceder (PC industrial).

Encontrado el equipo servidor se realizará un doble clic sobre este, para que

muestre todos los servidores OPC que tiene instalados. Realizada la búsqueda y

mostrado los servidores que contiene, seleccionar al que se desea acceder y

oprimir el botón “Browse Server” (Fig. 90.A).

Figura No. 90.A. Servidores encontrados en la PC.

Después se abrirá el cuadro de diálogo “Filter Criteria”, en el cual se podrán filtrar

las variables (en el caso que se desee) en dependencia de su tipo, y se pulsará el

botón “Next” (Fig. 91.A).

Figura No. 91.A. Ventana para la búsqueda de variables en el servidor.

Seguidamente en la ventana que aparece, se busca la variable o las variables a

las que se desean tener acceso. Desplegando el árbol jerárquico aparecen los

canales, después el dispositivo y por último las variables del servidor.

Seleccionadas estas, realizar un clic en el botón “Add Items” (Fig. 92.A).

173

Anexos

Figura No. 92.A. Ventana de selección de variables.

Posteriormente se abre el cuadro de diálogo “New Connection” y se pulsa el botón

“OK”.

A continuación se dispondrá de la ventana “Add Tags”. Para seguir una norma

para todas las variables del cliente OPC, WinCC recomienda introducir en el

campo “Prefix”: “Client_” y en el campo “Suffix”: “_xyz”. Después se marca la

conexión creada y se realiza un clic en el botón “Finish” (Fig. 93.A). Terminada la

adición de las variables en el proyecto se oprimirá el botón “Back” y luego, en la

otra ventana “Exit”.

Figura No. 93.A. Adición de las variables del servidor al canal OPC.

174

Anexos

Realizados todos los pasos descritos anteriormente, se habrá concluido con la

creación y configuración de un cliente OPC en WinCC y el proyecto se verá de la

siguiente forma:

Figura No. 94.A. Variable en el cliente OPC.

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