XXII JORNADAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

DESARROLLO DE UN SISTEMA SCADA PARA LA PRODUCCIÓN DE HARINA EN LA EMPRESAMOLINO ELECTRO MODERNO S.A.

PÁSTOR ACOSTA ISAAC, Ing.

MOLINO ELECTRO MODERNO S.A.RIOBAMBA – ECUADOR

Resumen

En la empresa Molino Electro Moderno S.A. setenían varios inconvenientes en el monitoreo ycontrol de la planta de producción. Éstos se debíanprincipalmente a la poca información que se podíamostrar en los paneles utilizados en los tableros decontrol. Para solventar estos problemas se procedió ala implementación de un sistema SCADA. El sistemase implementó utilizando Visual Basic 6.0 para laprogramación y PostgreSQL para la creación ymanejo de la base de datos. El intercambio de datosentre los computadores y los PLCs se realizautilizando el protocolo de comunicación OPC a travésdel servidor KEPDIRECT for PLC. Este sistema hafacilitado el trabajo del operador y permite obtenerdatos históricos de funcionamiento.

I. INTRODUCCIÓN

La empresa Molino Electro Moderno S.A. se dedica ala molienda de trigo para producir harina ysubproductos. El grano de trigo está formado por elsalvado, germen de trigo y el endospermo.[1] Laharina se obtiene del endospermo mientras el restodel grano se convierte en afrecho, semita y germen detrigo[2]. El proceso de producción se divide en dosetapas: limpieza y molienda.

La limpieza consiste en descargar el trigo de loscamiones, limpiarlo, almacenarlo y acondicionarloantes de ser molido. El objetivo de la etapa demolienda es separar el endospermo del resto delgrano y comprimirlo hasta obtener el producto final.En la etapa de molienda el trigo limpio es molido ycernido varias veces hasta alcanzar el tamañodeseado. La siguientes etapas del proceso son:dosificación de vitaminas y minerales,homogenización en una tolva mezcladora y empaquedel producto terminado.[2]

Este proceso es controlado por dos controladoreslógicos programables (PLC por sus siglas en inglés)Koyo D4-450. Uno controla la etapa de limpieza y elotro la etapa de molienda. Antes de la

implementación del sistema SCADA (System forControl And Data Adquisition, o en español: Sistemade Control y Adquisición de datos) la supervisión y elcontrol del proceso se realizaba desde tableros decontrol mediante tres paneles con pulsadores,indicadores luminosos y una pantalla LCD (LiquidCrystal Display) de dos líneas.

Este método de supervisión y control presentabaalgunos inconvenientes. A continuación se describenlos más importantes:

No se podía conocer el estado de todos losmotores debido al reducido número deindicadores luminosos.

Si varias alarmas estaban activadas demanera simultánea en el panel solo semostraba el código de la última alarma quese activó.

El proceso para encendido y apagado demotores de modo manual era demorado yrequería que el operador conozca el códigodel motor.

No existía un registro histórico de eventos nide alarmas.

Para solventar estos problemas la empresa solicitó laimplementación de un sistema SCADA.

A. Características del sistema

Con el objetivo de facilitar la labor del operadordurante las operaciones de arranque, parada yfuncionamiento de la planta el sistema implementadodebía tener las siguientes características:

Pantallas de interfase de operador para elmanejo de los silos.

Pantallas de interfase de operador paraacondicionamiento de materia prima

Pantallas de interfase de operador paramolienda que permitan la supervisión ycontrol de la producción de harina, afrecho,semita y subproductos.

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Pantallas de interfase de operador quepermita realizar el arranque y paro delmolino de manera manual y automática.

Almacenamiento de datos con informaciónreferente a la operación de la maquinariacomo: horas de funcionamiento y registro deparadas y arranques con los motivos que losocasionaron.

B. Requerimientos de la empresa

La empresa requiere que el sistema sea implementadocon el menor costo posible y que se utilice elprotocolo OPC (OLE for Process Control) para lacomunicación entre los PLCs y las computadoras.

C. Protocolo OPC[3]

El protocolo OPC se creó con el objetivo de proveerun mecanismo estándar industrial para comunicar eintercambiar datos entre clientes y servidoresutilizando la tecnología OLE (Object Linking andEmbedding) de Microsoft. OPC fue creado con laintención de resolver los problemas del usuario finalsobre interoperabilidad entre productos de diferentesfabricantes.

Este protocolo trabaja con el esquema cliente –servidor. Los servidores son programas paracomputadora que se encargan de leer y escribir datosen elementos de control como PLCs o RTUs (RemoteTerminal Unit). Los clientes se conectan con losservidores e intercambian datos a través de latecnología OLE. Varios clientes se pueden conectarsecon un único servidor.

En el sistema SCADA implementado se utilizó elservidor OPC KEPDIRECT for PLC. Este softwarees desarrollado y distribuido por el fabricante de losPLCs. El cliente OPC es el software desarrollado enVisual Basic 6.0.

II. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA

A. Estudio de la planta de producción de MolinoElectro Moderno S.A.

Como se describió anteriormente la maquinaria delmolino es controlada por dos PLCs. Los módulos desalidas activan y desactivan contactores y relés que seencargan de alimentar a los motores, electroválvulasy otros actuadores. Los módulos de entrada seencargan de la lectura de las señales provenientes desensores de giro de elevadores, fines de carrera de

compuertas neumáticas, detectores de nivel deproducto y protectores térmicos.

El PLC de la sección limpieza controla 54 salidasencargadas de accionar 30 motores y 17 electroválvulas. Para controlar estos actuadores elcontrolador analiza el estado de 64 entradas. En laetapa de molienda el PLC controla 96 salidas. Lascuales activan contactores y relés encargados deaccionar 54 motores, una electro válvula, un vibrador,dos señales para el control de un arrancador suave,dos focos de señalización, una válvula MAUB y unmartillo. El número de entradas conectadas al PLC esde 75.

B. Conexión entre los computadores y los PLCs

Para facilitar el trabajo del operador y disminuir lacantidad de datos que maneja el servidor OPC, elsistema se implementó utilizando dos computadores.Un computador se conecta con el PLC de la etapa delimpieza y el otro con el PLC de la sección molienda.

La comunicación entre los computadores y los PLCsse realiza utilizando los puertos RS-232 de estoselementos. El intercambio de datos se realiza engrupos de ocho bits encapsulados por un bit de inicio,un bit de parada y un bit de paridad. La comunicaciónse realiza a la máxima velocidad permitida por losPLCs que es de 38400 bps.

En la Figura 1 se muestra la conexión entre los PLCsy los computadores.

Figura 1. Conexión entre los computadores y losPLCs

C. Base de datos

Utilizando PostgresSQL se creó una base de datos enla que se guardan datos históricos de los eventos yalarmas ocurridas. En esta base de datos también sealmacena información de la maquinaria e informaciónde los usuarios y del tipo de acceso de cada uno.Estos datos se guardan utilizando las siguientes cinco

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tablas: usuarios, accesos, elementos_plc, eventos yalarmas.

La comunicación entre el software desarrollado enVisual Basic 6.0 y la base de datos se realizamediante el protocolo ODBC (Open Data BaseConnectivity o conectividad abierta de bases dedatos). Antes de utilizar esta herramienta es necesarioconfigurarla en las herramientas administrativasubicadas en el panel de control de MicrosoftWindows.

Para realizar la lectura de información desde elsoftware se utiliza el comando SQL (Standard QueryLanguage) SELECT mientras que para la escritura dedatos se utilizan los comandos INSERT y UPDATE.

D. Modos de operación del sistema SCADA

En el sistema SCADA se implementaron dos modosde operación: modo de control y modo desupervisión. El modo de control permite encender yapagar actuadores de forma manual o automática yeliminar mensajes de alarma. En el modo desupervisión no se puede realizar ninguna de estasoperaciones. De este modo se evita que estasoperaciones se realicen accidentalmente.

E. Ventanas del software del sistema SCADA

Con el objetivo de que el software sea fácil de utilizary amigable para el usuario final se crearon lassiguientes ventanas:

Ventana de administración del programa, Ventana para el ingreso de clave, Ventana para agregar usuarios, Ventana para eliminar usuarios, Ventana para cambio de contraseña, Ventanas del proceso, Ventana para ingresar el motivo que

ocasionó una alarma, y Ventanas para mostrar registros de la base de

datos.

La ventana administración de programa es la primeraque se muestra cuando arranca el software. Éstapermite desbloquear las funciones del sistema luegode ingresar un nombre de usuario y una clave válida.Luego de ingresar permite acceder al resto de las

ventanas. La Figura 2 muestra una imagen de estaventana.

Figura 2. Ventana de administración del programa

Las ventanas ingreso de clave, agregar usuarios,eliminar usuarios y cambio de contraseña cumplen lafunción indicada por su nombre. Estas ventanas semuestran en las Figuras 3, 4, 5 y 6.

Figura 3. Ventana para el ingreso de clave

Figura 4. Ventana para agregar usuarios

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Figura 5. Ventana para eliminar usuarios

Figura 6. Ventana para cambio de contraseña

En el software se crearon cuatro ventanas de proceso.En estas ventanas se realizan las operaciones deencendido y apagado de actuadores y eliminación deseñales de alarma. A continuación se enumera estasventanas.

Ventana de proceso para la recepción detrigo y manejo de silos (Figura 7).

Ventana de proceso para la primera ysegunda limpieza (Figura 8).

Ventana de proceso para la etapa demolienda (Figura 9).

Ventana de proceso para el ensacado deproducto (Figura 10).

Figura 7. Ventana de proceso para la recepción detrigo y manejo de silos

Figura 8. Ventana de proceso para la primera ysegunda limpieza

Figura 9. Ventana de proceso para la etapa demolienda

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Figura 10. Ventana de proceso para el ensacado deproducto

La ventana para el ingreso del motivo que ocasionóuna alarma aparece luego de hacer doble clic sobre laseñal gráfica de la alarma. En esta ventana se debeingresar el motivo que será escrito en la base dedatos. La Figura 11 muestra una imagen de estaventana.

Figura 11. Ventana para ingresar el motivo queocasionó una alarma

En el software del sistema SCADA se crearon dosventanas para visualizar los registros de la base dedatos. En la una se pueden visualizar los registros dealarmas y en la otra los registros de eventos. Enambas ventanas se puede seleccionar el intervalo detiempo del cual se desea ver información. Además, enlas dos ventas se encuentra un botón que al pulsarloenvía la información a Microsoft Excel. Estasventanas se muestran en las Figuras 12 y 13.

Figura 12. Ventana para mostrar registros de alarmas

Figura 13. Ventana para mostrar registros de eventos

F. Bara de herramientas y menú

Con el objetivo de facilitar el acceso a las ventanas ya las funciones del software se implementó una barrade herramientas y un menú. Los cuales funcionan delmismo modo que en cualquier software comercial. LaFigura 14 muestra una imagen de la barra deherramientas y la Figura 15 muestra una imagen delmenú.

Figura 14. Barra de herramientas

Figura 15. Menú

G. Encendido y apagado de motores

Todos los motores de la planta se pueden accionardesde el software del sistema SCADA. Esta funciónse implementó de la siguiente manera:

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Los motores de arranque directo se accionanmodificando el valor de la salida del PLCque activa el contactor que los energiza.

Los motores con arranque estrella –triángulo se encienden activando la etapadel software del PLC que se encarga derealizar esta acción. Para apagar estosmotores se coloca en cero lógico las salidasdel PLC que activan los tres contactores.

Hay máquinas vibratorias que trabajan condos motores que se deben encender y apagaral mismo tiempo. En estos casos se cambiael valor de las dos salidas del PLC demanera simultánea.

El encendido y apagado de los motores se realizapulsando sobre el interruptor colocado a su costado.Este interruptor además indica el estado del motor.Cuando está en rojo (Figura 16) indica que el motorestá apagado y cuando el motor se enciende elindicador cambia de color a verde (Figura 17).

Figura 16. Indicación de motor apagado

Figura 17. Indicación de motor encendido

H. Implementación de sensores

En las pantallas de interfase de operador los sensoresson representados por pequeños círculos que cambiande color según su estado. Cuando el sensor se activael indicador cambia de color rojo a verde. La figura18 muestra la indicación de un sensor activado y laFigura 19 muestra un sensor no activado.

Figura 18. Sensor activado

Figura 19. Sensor desactivado

I. Implementación de protectores térmicos

Cuando un protector térmico se activa en la pantallade interfase de operador se muestran dos señales. Elindicador de estado del motor cambia de color aamarillo y en la parte superior derecha de la pantallase muestra el código del protector activado. En lasfiguras 20 y 21 se muestran estos dos indicadores.

Figura 20. Indicador de estado de un motormostrando la activación del protector térmico

Figura 21. Indicación del código del protectortérmico activado

J. Implementación de un cuadro de información

El cuadro de información se utiliza para mostrarinformación de los actuadores. Al hacer clic sobreuno de ellos aparece el cuadro en el que se muestra elcódigo, una breve descripción y el número de horasde funcionamiento. Este cuadro desaparece de lapantalla al dirigir el puntero del ratón a una nuevaubicación. La información mostrada se lee de la basede datos utilizando comandos SQL. El cuadro deinformación se muestra en la Figura 22.

Figura 22. Cuadro de información

III. PRUEBAS REALIZADAS AL SISTEMA

Con el objetivo de comprobar el correctofuncionamiento del sistema SCADA se realizaronpruebas a todas las funciones independientemente yluego se realizaron pruebas globales al sistema.

Se encendieron y apagaron todos los motores y seactivaron las compuertas neumáticas. Se activaronmanualmente los sensores y protectores térmicos y se

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procedió a borrar las señales de alarma. También serealizaron arranques automáticos de todas lassecciones de la planta y paradas parciales y totales.

Luego de realizar estar pruebas se comprobó que elsistema SCADA trabaja del modo esperado.

Conclusiones

El sistema SCADA implementado enMolino Electro Moderno S.A. cumple todoslos requerimientos planteados al inicio delproyecto.

La implementación del sistema utilizandoVisual Basic 6.0 y PostgreSQL 8.2 resultóde bajo costo y buen funcionamiento perorequirió de mucho tiempo de depuraciónpara eliminar todos los errores.

La implementación del sistema SCADA hafacilitado el trabajo del operador. Elencendido y apagado manual de motores yotros actuadores es mucho más sencillo.Además, ahora se puede visualizarrápidamente el estado de la maquinaria de laplanta. El cuadro de información también haayudado a los operadores ya que les permiteidentificar rápidamente el código yubicación de los distintos actuadores ysensores.

Referencias bibliográficas

[1] SHROYER, Tim.http://www.oznet.ksu.edu/aawf/July/july_3.htm

[2] Información proporcionada por Ing. WilsonMiranda, encargado de producción deMolino Electro Moderno S.A.

[3] OPC Task Force. OPC Overview. Versión1.0. 1998

Biografía del autor

Isaac Pástor nació en Riobamba– Ecuador en 1984. Realizó susestudios secundarios en elcolegio Santo Tomás ApostolRiobamba y en Mount NittanyMiddle School en el estado dePennsylvania en Estados Unidos.

Estudió ingeniería en electrónica y control en laEscuela Politécnica Nacional. Sus principalesintereses son los sistemas SCADA y la robótica.