DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO DE MANEJO DE LOTES PARA LOS PROCESOS DE: ALMACENAJE, TRANSPORTE Y DESPACHO DE MATERIAS PRIMAS

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO DE MANEJO

DE LOTES PARA LOS PROCESOS DE: ALMACENAJE, TRANSPORTE Y DESPACHO DE MATERIAS PRIMAS EN LOS PREDIOS DE UNA

PLANTA DE ELABORACIÓN DE CERVEZA

TITULO:

OBJETIVOS:

Garantizar un proceso seguro y eficaz mediante un sistema de control óptimo

Garantizar la correcta limpieza y calidad física del grano durante su recepción, transporte y almacenaje, evitando perdidas, mediante la implementación de nuevos equipos de monitoreo y control

Asegurar la correcta dosificación de materias primas y manejo de inventarios a través de la implementación de un sistema de manejo de lotes.

Ajustarse a las nuevas necesidades de crecimiento a través del uso de una plataforma de control moderna.

CAPITULO I DESCRIPCIÓN DE PROCESOS

CAPITULO II

DISEÑO Y SELECCION DE EQUIPOS DE CONTROL

PROGRAMACIÓN

COSTOS DE IMPLEMENTACION Y RETORNO DE LA INVERSION

CAPITULO III

CAPITULO IV

CONTENIDO:

CALIBRACIÓN Y PUESTA EN FUNCIONAMIENTO

CAPITULO V

CAPÍTULO IDESCRIPCIÓN DE

PROCESOSRECEPCION DE MATERIAS PRIMAS


PROCESOSALMACENAJE


PROCESOSDESPACHO DE MALTA, ADJUNTOS Y MANEJO DE POLVO


PROCESOSMOLIENDA DE ADJUNTOS Y MANEJO DE POLVO II


PROCESOSDISTRIBUCION DE EQUIPOS


PROCESOSSUMINISTROS

AIRE COMPRIMIDO: 60 PSI

Dispositivos Alimentación

Motores 440 Vac 60 Hz

Elementos de control y equipos de cómputo. 24 VDC o 110 Vac 60 Hz

ALIMENTACION:

CAPÍTULO IIDISEÑO Y SELECCION DE EQUIPOS DE

CONTROLCONSIDERACIONES PRELIMINARES DE DISEÑO

PROCESO

VISUALIZACIONRECETA VALOR

DESEADO

PARAMETROS

REALES

INTERFASE OPERADOR

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

TRANSMISORES

SENSORES

Controlador

PARAMETROS INGRESADOS

Diagrama en Bloques de Control


CONTROLREQUERIMIENTOS DE PRODUCCION

Implementación de seguridades de manejo y operación de equipos, transportadores, motores

Garantizar limpieza y calidad física del grano

Asegurar la correcta dosificación de materias primas

Flexibilidad en la modificación de parámetros y estructura de proceso.

Compatibilidad con sistema de supervisión y PLC de control.

Almacenamiento de actividades y parámetros, a fin de obtener un registro de decisiones operativas.

Fácil manejo y operación.


CONTROLINVENTARIO DE SEÑALES

CUARTO ELECTRICO

TOTAL ENTRADAS 112

TOTAL SALIDAS 48

SEGUNDO NIVEL TORRE DE GRANOS

TOTAL ENTRADAS 80

TOTAL SALIDAS 32

SEXTO NIVEL TORRE DE GRANOS

TOTAL ENTRADAS 80

TOTAL SALIDAS 96

Tipo de señal Tipo

Entradas Discretas 24 Vdc.

Salidas DiscretasA contactos libres de potencial por

medio de relé de interfase.

Entradas Análogas 4 a 20 mA. dos hilos

Salidas Análogas 4 a 20 mA dos hilos

Cantidades

Tipos


CONTROLCOMPATIBILIDAD CON NUEVOS EQUIPOS DE CONTROL

Bus de comunicación campo:

Modbus plus / Profibus DP

ESTANDARES PLANTA:

Red de datos Industrial:

Modbus TCP/IP ò CP H1 1 ISO ( siemens)

Red de datos Administrativa:

Ethernet TCP/IP

VENTAJAS ESTANDARES SIEMENS SOBRE OTROS:

-Estandarización de módulos remotos o periferia, conectores y accesorios.-Conexión directa entre dispositivos ethernet en nuevo cocimiento.-Utilización de un solo software de gestión y administración e redes.-Simplifica tareas de interconexión con dispositivos de cocimiento ( ahorro de tiempo)


CONTROLCOMPATIBILIDAD CON NUEVOS EQUIPOS DE CONTROL (visualización y manejo de lotes)

Software de Visualización:

Intouch

ESTANDARES PLANTA:

VENTAJAS SISTEMA WONDERWARE SOBRE OTROS:

-Soporte Local y base de conocimientos adquiridos.-Permite implementación de sistemas redundantes.-Permite independizar plataforma de PLC a PC, sistema modular.

Software de Manejo de Lotes:

InBatch

Software de Visualización:

Sistema Braumat

OPCION SIEMENS:

Software de Manejo de Lotes:

Sistema Braumat


CONTROLDIMENSIONAMIENTO DE UNIDADES DE PROCESO

Definición de Unidad de Proceso.- Una unidad es un grupo de equipos de proceso que cumple las siguientes funciones:

- Procesar materiales; ejemplos son: reactores, mezcladores, agitadores.

- La unidad puede mantener materiales; ejemplos son: estaciones de dosificación manual, tanques de almacenamiento, contenedores, y estaciones de llenado.

Cada unidad tiene un único atributo, como su capacidad o material de almacenamiento, la cual define su capacidad de procesamiento o sus limitaciones.

De acuerdo a la definición de unidad de proceso para nuestro caso hemos definido las siguientes unidades de proceso:

Numero-Unidad Nomónico Descripción

U1 RecMaltaRecepción Materia Prima

U2 Despa Despacho Adjuntos

U8 TrpMalta Transporte de malta

U9 TrspAdj Transporte de adjuntos


CONTROLDIMENSIONAMIENTO DE UNIDADES DE PROCESO


CONTROLARQUITECTURA DE CONTROL

La necesidad de integrar varios equipos de control de procesos en un único sistema centralizado de información nos obliga a seleccionar un medio de comunicación abierto.

INDUSTRIAL ETHERNET nos brinda entre esta ventaja las siguientes:- Enlaza fácilmente diferentes áreas

de aplicación como administrativa y de planta.- Diseño robusto e inmunidad a interferencias electromagnéticas.- Alta velocidad de funcionamiento con gran cantidad de nodos.- Varios medios de transmisión (fibra óptica, par trenzado, etc).- Gran variedad de topologías redundantes.- Fácil crecimiento con tecnología de switcheo.

Capa Método utilizado

7

Step 76

5

4 ISO 8073 Transporte

3 Red

2 CSMA/CD (IEEE 802.3)

1Características físicas del bus, conectores

RJ45,etc



La alta densidad de señales en el cuarto eléctrico, planta baja y alta; nos obliga a diseñar una arquitectura remota, en nuestro caso utilizamos módulos con comunicación Profibus DP ubicados convenientemente en cada área.

PROFIBUS DP.- En este modelo de comunicación, algunas estaciones son definidas como maestras, y otras como esclavas. Las estaciones maestras acceden al bus por medio de un esquema token bus. Mientras una estación maestra posee el testigo, realiza transacciones con sus esclavos según el esquema maestro esclavo. Luego, envía el testigo a la siguiente estación del anillo lógico, como se ilustra en la siguiente figura:



ET-200MDIR . 8

BASCULA DE MALTA NIVEL # 5

MODULO REMOTO S # 6 NIVEL # 7

MODULO REMOTO E # 5 NIVEL # 7

MODULO REMOTO E/S # 3 NIVEL # 2

MODULO REMOTO E # 2 SALA EQUIPOS ELECTRICOS

DIR . 7DIR . 6DIR . 5DIR . 3DIR . 4

DIR . 2

MODULO REMOTO S # 1 SALA EQUIPOS ELECTRICOS

ET-200MET-200MET-200MET-200M ET-200M

REDUNDANCIA

PROFIBUS DP

CPU PRINCIPALSILOS

MODULO REMOTO # 4 NIVEL # 3

BASCULA DE ADJUNTO NIVEL # 5

RED ADMINISTRATIVA

RED INDUSTRIAL

BUS DE CAMPO

SWITCH INDUST.

SWITCH ADMINISTRATIVO

CPU PRINCIPAL COCINA

INGENIERIA INBTACH 1 INBTACH 2 SQL SERVERCLIENTE 1CLIENTE 2CLIENTE 3


CONTROLSELECCIÓN DE INSTRUMENTACION

PROCESO

VISUALIZACIONRECETA VALOR

DESEADO

PARAMETROS

REALES

INTERFASE OPERADOR

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL TRANSMISORES

SENSORES

Controlador

PARAMETROS INGRESADOS


CONTROLSELECCIÓN SENSORES DE NIVEL

TIPO

Puntual

ContinuoPrecisión en % de toda escala

TempMáx.

ºC

Tanques

Desventajas Ventajas

Alto Bajo Abiertos Cerrados

Diafragma Si No No 50 mm 60 Si SiNo admite materiales granulares > 80 mm tanques a baja presión

Bajo coste, sensible a materiales de variada densidad.

Cono Suspendido Si Si No 50mm 60 Si No Debe estar protegido Baja coste

Varilla flexible Si No No 25mm 300 Si No Relé retardado Muy sensible

Conductivo Si Si No 25mm 300 Si SiConductividad materiales

tanques a presión

Paletas rotativas Si Si No 25mm 60 Si NoTanques abiertas o a baja presión

Materiales diversos o a prueba de explosión

Sondeo electromecáni-co

- - Si 1% 60 Si NoResistencia mecánica media

Sencillo

Bascula - - Si +/-0,5-1% 900 Si Si Coste elevadoPreciso y seguro, altas presión y temperaturas

Capacitivo Si Si Si 15mm 150 Si SiMateriales aislantes, calibración individual, adherencias producto

Bajo coste

Presión diferencial - - Si - 300 Si SiCoste medio, probable obturación orificio purga

Respuesta rápida

Ultrasonidos Si Si Si +/-0,5-1 150 Si Si Coste medio Materiales opacos y transparentes, a prueba de explosión

Radar Si Si Si +/-2mm 150 Si Si Costos medio productos viscosos

Radiación -- -- Si +/-0,5-1 1.300 Si SiCoste elevado supervisa seguridad, calda individual varias fuentes

Tanque sin aberturas, productos corrosivos y peligrosos, altas presiones y temperatura


CONTROLSENSORES DE NIVEL CAPACITIVO

PRINCIPIO DE MEDICION: La medición de nivel tipo capacitiva basa su operación en la variación de la capacitancia entre el aire y el granos. El capacitor se forma entre la pared del recipiente y la sonda introducida. Los factores que determina su magnitud son los siguientes:

Distancia entre la pared y la sonda

Área de los electrodos (sonda y pared)

Constante dieléctrica del material entre los

electrodos (grano-pared).

Al introducir la sonda en el recipiente estamos fijando la distancia entre los electrodos y su área, en este caso la capacitancia dependerá únicamente de la constante dieléctrica del material. Los materiales generalmente utilizados en nuestra aplicación trabajan entre un rango de 2 < εr < 6 (cebada malteada y arroz), mientras que el aire mantiene un valor fijo de 1 como

constante dieléctrica.


CONTROLSELECCIÓN SENSORES DE TEMPERATURA

Características

Sensor

RTD de platino de película

RTD de platino bobinada

Termocupla Terrmistor Silicio

Costo del sensor Moderado a bajo Moderado Bajo Bajo a moderado Bajo

Campo de medida -200 a 750°C

(560°C máx.típ.)-200 a 850 (600°C

máx.típ.)-270 a 1800 °C

-100 a 500 (125°C máx.típ)

-40 a 125°C

Intercambiabilidad ±0.1%. ±0.3C ±0.06%. ±0.2C ±0.5%. ±0.2C ±10%. ±0.2C ±1%. ±0.3C

Estabilidad Excelente Excelente Pobre Moderada Moderada

Sensibilidad ±0.39%/C ±0.39%/C ±40µV/C -4%/C 10mV/C

Sensibilidad relativa Moderada Moderada Baja Muy elevada Moderada

Linealidad Excelente Excelente Moderada No es lineal Moderada

Pendiente Positiva Positiva Positiva Negativa Positiva

Susceptibilidad a ruido Baja Baja Alta Baja Baja

En la siguiente tabla se muestran las ventajas y desventajas entre los principales tipos de sensores para medición de temperatura:

Industrialmente los dos sensores de temperatura mas utilizados son las termocuplas y las RTD`s. Entre las RTD`s mayormente utilizadas existen dos tipos: las de película y las bobinadas. Estas últimas tienen mejores características pero su costo es más elevado. En cuanto a las termocuplas existen varios tipos en función de los materiales que las constituyen. Entre las ventajas más importantes se resaltan los ambientes a los que van destinados (oxidante, corrosivo, etc.) y su bajo costo.


CONTROLMEDICION DE TEMPERATURA


CONTROLSELECCIÓN DE DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD

Entre los principales dispositivos implementados tenemos:

Sensores Inductivos.- Atascamiento transportadores redler

Micro interruptor .- Atascamiento transportadores sinfín.

Sensores de vigilancia de movimiento.- Confirmación de movimiento en exclusas de polvo.

Sensores de presencia de grano. - Sobre balanzas, molino y algunos transportadores.


CONTROLSELECCIÓN DE PLC

La memoria total de un equipo tiene distintas zonas en las que se almacenan datos:

- Área de programa de aplicación (memoria de carga).

- Registro de E/S discretas.

- Registro de E/S análogas

- Registro de temporizadores y contadores

- Registro de variables.

- Área auxiliar.

- Sistema operativo.

Capacidad de Memoria:


CONTROLCAPACIDAD DE MEMORIA

Requerimientos de memoriaK

(bytes)

Tamaño de la imagen del proceso (entradas/salidas) 8

Recursos de comunicación (peticiones de comunicación) 8

Temporizadores 256 8

Contadores 256 8

Marcas 65536 8

Área direccionamiento periferia 8

Tamaño de datos locales y código. 200

Memoria teórica de trabajo 248

Memoria real de trabajo 256

Memoria teórica de carga 446

Memoria real de carga 512


CONTROLDIMENSIONAMIENTO DE VALVULAS

1

.

835 P

TGQnCv

4

303.1

835

120Cv

62,0Cv

Datos:

Caudal nominal (Qn): 120 m3/h (tubería ¾”)Temperatura (T): 303 °FPresión anterior (P1): 4 barPresión posterior (P2): 2 barPeso especifico fluido (G) = aire = 1


CONTROLCALCULO DE PROTECCION PRINCIPAL

In x fc x fs = Is

Dόnde:

In = corriente nominal de la carga.

fc = factor de coincidencia.

fs = factor de seguridad ( recomendado por el

fabricante de la protección).

Is = corriente de selección.

Por lo tanto tenemos:

459,3 x 0,6 x 1,4 = 385,8 Amp

CAPÍTULO IIIPROGRAMACION

ESTRUCTURA DEL PROGRAMA


BLOQUES DE CONTROL

0 Válvula, QL = 1 - RE = 1

1 Motor, QL = 1 - RE = 1

2 Válvula, QL = 1- RE = 0

3 Motor, QL = 1 - RE = 0

4 Válvula, QL = 1 - RE = 1; QL = 0 - RA = 1

5 Motor, QL = 1 - RE = 1; QL = 0 - RA = 1

6 Válvula, QL = 1 - RE = 0; QL = 0 - RA = 0

7 Motor, QL = 1 - RE = 0; QL = 0 - RA = 0

64 Sin confirmación.

128 Ignorar.

Tipos de dispositivos


BLOQUES DE CONTROL VARIOS

Out 1

Preset Time

Reloj

HabilitaciónOut 2

Out 3

Out 4

Out 5

Out 6

Out 7

Out 8

Out 9

FC5 / FC6

DataReciveScale se encarga de la recepción y tratamiento de parámetros como estado de ciclo de la bascula, estado de totalizadores, etc. Mientras que el bloque DataSendScale gestiona en envío de órdenes a cada báscula como parada, vaciado total, arranque, etc.

¿QUÉ ES EL ESTÁNDAR S-88?

La norma S-88 surge de la necesidad de resolver los problemas de automatización de las industrias en el área de los medicamentos y/o alimentos, las cuales presentaban procesos comunes y repetitivos de procesos por Lotes, que a la hora de implantar sus sistemas presentaban los siguientes problemas básicos:

1. No existía ningún modelo universal para el control de Lotes.

2. Dificulta de los usuarios para comunicar sus requerimientos.

3. Dificulta para los ingenieros al integrar soluciones de diversos suplidores.

4. Los ingenieros y usuarios tenían dificultades al configurar los sistemas.

Por estas razones se creo el comité SP88 (Standards & Practices), el cual desarrolla la norma S-

88 en dos partes:

· S-88.01 Control por Lotes parte 1: Modelos y terminologías.

· S-88.02 Control por Lotes parte 2: Estructura de Datos y definición de interfaces


MODELO DE PROCESO


MODELO DE PROCESO

El pilar en que se basa S-88 es la separación entre el “Que” quiere hacer el cervecero, del “Como” se puede hacer con los equipos y automatización instalados

PROCEDIMIENTO UNIDAD DE PROCESO OPERACION


DEFINICION DE FASES LOGICAS

La administración de lotes se realiza a través de un bloque denominado fase lógica. Cada fase lógica es una acción de proceso independiente. Existen ocho componentes principales de una fase lógica, cada componente incluye: bits de control, bits de estado de fase, control de entradas, control de salidas, parámetros de formula, botones de control, bloqueos y alarmas.

Start

Hold

Restart

Abort

Reset

Control de Fase

Ready

Run

Held

Done

Interloked

FASE LOGICA

Botones de control

Bloqueos

Parámetros de formula

Aborted

Control Inputs

Control Outputs

Run

Held

Interloked

Done

ReadyStart

Restart

AbortReset

Start ResetReset

Reset

Aborted

Start and Alarma

Lógica

Interlock condiciones


INBATCH TRANSPORTE CRUDOS


INBATCH TRANSPORTE MALTA


INBATCH DESPACHO CRUDOS

CAPÍTULO IVCOSTOS DE IMPLEMENTACION Y RETORNO

DE LA INVERSION

COSTO DE EQUIPOS

- PLC de control

- Terminales de periferia

- Accesorios de redes

- Módulos de telefast de E/S

- Licencias de programación

- Arrancadores e Instrumentación en general

- Molino de martillos

- Nuevos transportadores

- Basculas electrónicas.


DE LA INVERSION

COSTO DE MATERIALES

- Paneles y Sub-paneles

- Materiales Eléctricos y

- Materiales Mecánicos.


DE LA INVERSION

COSTO DE MANO DE OBRA

- Mano de obra de instalación y cableado de instrumentación

- Mano de obra en cableado de Paneles y Sub-paneles

- Mano de obra en acometida de alimentación para motores y

- Mano de obra en retiro de equipos de control existentes


DE LA INVERSION

COSTO TOTAL:

Costo equipos 131.509,10

Costo materiales 25.899,49

Costo mano de obra 13.565,50

Costo Balanzas electrónicas 61.190,00

Costo Molino de martillos 54.210,00

Costo filtro de mangas 44.130,00

Costo transportadores 85.342,22

COSTO TOTAL ($) 330.504,09


DE LA INVERSION

EVALUACION DE INVERSIONES

CAPÍTULO VCALIBRACION Y PUESTA EN

FUNCIONAMIENTOCALIBRACION DE

NIVEL

CALIBRACION SENSORES CAPACITIVOS

CAPÍTULO VCALIBRACION Y PUESTA EN

FUNCIONAMIENTOPROTOCOLO DE

PRUEBAS

Prueba equipos Pre - implementación

Prueba equipos durante - implementación

Test equipos post – implementación (puesta en funcionamiento producción)

1

2

3

Estructura

Cronograma

CAPÍTULO VCONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

* Como resultado de nuestra implementación hemos logrado reducir los tiempos en la transportación de malta y arrocillo en aproximadamente un 50%.

*En la dosificación de materias primas hemos conseguido una disminución del error entre la cantidad fijada y real a porcentajes menores al 0,8% en malta y al 0,6% en adjuntos.

*La inversión en tecnologías de automatización en nuestro país debe considerarse como una estrategia clave de competitividad, no invertir en esta tecnología o sin un plan estratégico claramente definido (meta) puede provocar ser desplazado por la competencia.

*El tiempo estimado del retorno de la inversión es de aproximadamente dos años que obviamente dependen de las proyecciones de producción, para efectos de cálculos consideramos un crecimiento normal del 5% anual.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO DE MANEJO DE LOTES PARA LOS PROCESOS DE: ALMACENAJE, TRANSPORTE Y DESPACHO DE MATERIAS PRIMAS