Diseño de un sistema automático de control y registro de

Facultad de Ingeniería

Ingeniería Mecatrónica

Tesis:

“Diseño de un sistema automático de

control y registro de temperatura para el

proceso de pasteurización en la industria

alimentaria”

Autor: Pedro Anderson Herrera Paria

para optar el Título Profesional de

Ingeniero Mecatrónico

Asesor: Mg. Pedro Portillo Mendoza

Lima – Perú

2019

ii

DEDICATORIA

A mis padres Pedro y Lelys,

Por la confianza y el esfuerzo depositado.

iii

AGRADECIMIENTOS

A mis padres, Pedro Herrera López y Lelys

Paria Bruno, que con todo su apoyo

incondicional soy lo que ellos siempre han

anhelado.

Al asesor de tesis Mg. Pedro Portillo

Mendoza por su apoyo, enseñanza y

disposición para desarrollar este trabajo de

investigación.

A mis amigos, que me apoyan para seguir

creciendo como persona y profesional.

iv

RESUMEN

El objeto de estudio de la presente investigación es el diseño de un sistema automatizado

de control que integra el registro de temperatura en el proceso de pasteurización, con la

finalidad de asegurar el procedimiento de fabricación, estándares de calidad y

comercialización en las empresas alimenticias. Para la elaboración del diseño se utilizó el

método “A Guide to the Project Management Body of Knowledge” o PMBOK, con el

propósito de integrar 10 áreas de conocimiento y 5 grupos de procesos, para conseguir un

diseño de ingeniería estándar del sistema desarrollado.

Toda vez, que las empresas que fabrican alimentos como néctares y pulpas de frutas

realizan el control y registro de temperatura de forma independiente, desacoplada del

sistema automatizado; la presente propuesta consiste en un sistema de control mediante

Autómata Programable PLC, con programación de algoritmos PID organizados en un

sistema SCADA para el monitoreo, control y registro de la temperatura. Todo esto, en un

solo sistema de control automático tipo lazo cerrado, que además permite generar reportes

en tiempo real, así como históricos en archivos EXCEL para la gestión de la producción,

facilitando el análisis de datos y sirviendo de sustento para la trazabilidad que el proceso

requiere para ser auditable.

Los resultados del diseño que se obtuvieron utilizando el Software TIA PORTAL para la

simulación del proceso y el sistema SCADA HMI, demostraron que esta propuesta permitió

optimizar el proceso de producción para cumplir con los estándares de comercialización,

v

evidenciándose el comportamiento del proceso de pasteurización en tiempo real. Así,

tomando como set point 75°C, límite inferior 70°C y límite superior 80°C, para un

determinado producto (néctar), toda la producción que se encuentra fuera de los límites

configurados, se regresa al primer tanque de almacenamiento, para después volver a

pasteurizarse correctamente. El diseño permitió que, para temperaturas fuera de ese

rango, no hay acceso posible al cambio del valor de la variable del proceso, ya que éste se

comporta dependiendo del estado en que se encuentra el pasteurizador; a menos que se

deba modificar el código del PLC, y es así como se asegura la producción.

Palabras Clave: Control de temperatura. Reporte automatizado, PID. SCADA, Producción

automatizada de néctares.

vi

ABSTRAC

The object of study of the present investigation is the design of an automated control system

that integrates the temperature register in the pasteurization process, with the purpose of

ensuring the manufacturing procedure, quality standards and commercialization in food

companies. The “A Guide to the Project Management Body of Knowledge” or PMBOK

method was used to elaborate the design, with the purpose of integrating 10 knowledge

areas and 5 process groups, to achieve a standard engineering design of the developed

system.

Every time, that the companies that manufacture food like nectars and pulps of fruits realize

the control and registry of temperature of independent form, decoupled of the automated

system; This proposal consists of a control system by PLC Programmable PLC, with

programming of PID algorithms organized in a SCADA system for monitoring, control and

recording of temperature. All this, in a single closed loop type automatic control system,

which also allows generating real-time reports, as well as historical EXCEL files for

production management, facilitating data analysis and supporting the traceability of the

process required to be auditable.

The results of the design that were obtained using the TIA PORTAL Software for the

simulation of the process and the SCADA HMI system, showed that this proposal allowed

to optimize the production process to comply with the marketing standards, demonstrating

the behavior of the pasteurization process in time real. Thus, taking as a set point 75 ° C,

vii

lower limit 70 ° C and upper limit 80 ° C, for a given product (nectar), all the production that

is outside the configured limits, returns to the first storage tank, and then correctly

pasteurized again. The design allowed that, for temperatures outside that range, there is no

possible access to the change in the value of the process variable, since it behaves

depending on the state of the pasteurizer; unless the PLC code must be modified, and this

is how production is ensured.

Keywords: Temperature control. Automated report, PID. SCADA, Automated production

of nectars.

viii

ix

INDICE GENERAL

DEDICATORIA ...................................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... iii

RESUMEN ............................................................................................................................ iv

ABSTRAC ............................................................................................................................ vi

INDICE GENERAL ............................................................................................................... ix

INDICE FIGURAS .............................................................................................................. xiv

INDICE TABLAS ................................................................................................................ xix

INDICE DE ECUACIONES ................................................................................................. xx

INTRODUCCION ................................................................................................................ xxi

CAPITULO 1........................................................................................................................ 22

ASPECTOS GENERALES ................................................................................................. 22

1.1 Definición del problema.............................................................................................. 22

1.1.1 Descripción del problema...................................................................................... 22

1.1.2 Formulación del problema..................................................................................... 23

1.1.2.1 Problema general ............................................................................................. 23

1.1.2.2 Problemas específicos ..................................................................................... 24

1.2 Definición de objetivos ............................................................................................... 24

1.2.1 Objetivo general .................................................................................................... 24

1.2.2 Objetivos específicos ............................................................................................ 24

1.3 Alcances y limitaciones .............................................................................................. 24

1.3.1 Alcances ................................................................................................................ 24

1.3.2 Limitaciones........................................................................................................... 25

1.4 Hipótesis ..................................................................................................................... 25

1.4.1 Hipótesis general ................................................................................................... 25

1.4.2 Hipótesis específicas............................................................................................. 25

1.5 Justificación ................................................................................................................ 26

1.5.1 Justificación práctica ............................................................................................. 26

1.5.2 Impacto económico ............................................................................................... 26

x

1.5.3 Impacto tecnológico .............................................................................................. 26

1.5.4 Impacto social........................................................................................................ 26

1.5.5 Impacto ambiental ................................................................................................. 27

1.6 Estado del arte ........................................................................................................... 27

1.6.1 Estado del arte técnico .......................................................................................... 27

1.6.2 Estado del arte tecnológico ................................................................................... 32

CAPITULO 2........................................................................................................................ 33

CAPITULO 2: BASES TEORICAS..................................................................................... 33

2.1 Fundamentos teóricos................................................................................................ 33

2.1.1 Automatización ...................................................................................................... 33

2.1.2 Control de lazo abierto .......................................................................................... 34

2.1.3 Control de lazo cerrado ......................................................................................... 35

2.1.4 Elementos de un sistema automatizado industrial ............................................... 35

2.1.4.1 Sensor ............................................................................................................... 35

2.1.4.2 Sensor de temperatura PT100 ......................................................................... 36

2.1.4.3 Actuador............................................................................................................ 37

2.1.4.4 Planta ................................................................................................................ 38

2.1.5 Proceso automatizado........................................................................................... 39

2.1.6 Variable del proceso.............................................................................................. 39

2.1.7 Variable de referencia ........................................................................................... 39

2.1.8 Controladores industriales..................................................................................... 39

2.1.9 Controlador Lógico Programable .......................................................................... 40

2.1.10 Tipos de PLC ......................................................................................................... 41

2.1.11 Estructura de un PLC ............................................................................................ 41

2.1.12 Entradas digitales .................................................................................................. 42

2.1.13 Entradas analógicas .............................................................................................. 43

2.1.14 Salidas digitales..................................................................................................... 43

xi

2.1.15 Salidas analógicas................................................................................................. 43

2.1.16 Fuente de alimentación ......................................................................................... 43

2.1.17 Procesador ............................................................................................................ 44

2.1.18 Memoria ................................................................................................................. 44

2.1.19 Tipos de memoria .................................................................................................. 44

2.1.19.1 Memoria de instrucciones programadas .......................................................... 44

2.1.19.2 Memoria de tablas ............................................................................................ 45

2.1.19.3 Memoria del sistema......................................................................................... 45

2.1.19.4 Memoria externa ............................................................................................... 45

2.1.20 Funcionamiento de un PLC................................................................................... 45

2.1.20.1 Autodiagnóstico ................................................................................................ 46

2.1.20.2 Lectura de la interfaz de entradas.................................................................... 46

2.1.20.3 Lectura y ejecución de las instrucciones del programa ................................... 46

2.1.20.4 Revisión de la interfaz de comunicación.......................................................... 46

2.1.20.5 Revisión a los registros de la interfaz de salida............................................... 46

2.1.21 Comunicación industrial ........................................................................................ 46

2.1.22 SCADA .................................................................................................................. 48

2.1.23 PID ......................................................................................................................... 49

2.1.24 Registrador de temperatura .................................................................................. 49

2.1.25 Termo-registrador circular DR4300 ...................................................................... 50

2.1.26 Producción de pulpa de fruta ................................................................................ 52

2.1.27 Proceso de producción de pulpa de fruta ............................................................. 53

2.1.28 Pasteurización ....................................................................................................... 54

2.1.29 Producción sin registrador de temperatura........................................................... 55

2.1.30 Producción con registrador de temperatura ......................................................... 55

CAPITULO 3........................................................................................................................ 56

xii

CAPITULO 3: DESARROLLO DE LA SOLUCION ........................................................... 56

3.1 Tipo de investigación ................................................................................................. 56

3.2 Metodología propuesta .............................................................................................. 56

3.3 Análisis del sistema actual ......................................................................................... 58

3.3.1 Control del sistema actual ..................................................................................... 58

3.3.1.1 Modelado topológico de control del sistema actual ......................................... 60

3.3.1.2 Modelado físico del sistema actual .................................................................. 60

3.3.1.3 Modelado matemático del sistema actual ........................................................ 61

3.4 Análisis del control de la nueva propuesta: Diseño del controlador PID .................. 74

3.4.1 Diagrama P&ID del sistema propuesto................................................................. 79

3.4.2 Diagrama instrumental del sistema propuesto ..................................................... 80

3.4.3 Programación del sistema propuesto ................................................................... 81

3.4.4 SCADA .................................................................................................................. 94

3.4.5 Criterios de selección ............................................................................................ 97

3.4.5.1 Selección de del sensor ................................................................................... 97

3.4.5.2 Selección de la válvula de 3 vías ..................................................................... 98

3.4.5.3 Selección de electroválvula .............................................................................. 99

3.4.5.4 Selección del PLC .......................................................................................... 100

CAPITULO 4...................................................................................................................... 101

CAPITULO 4: RESULTADOS .......................................................................................... 101

RESULTADO 1 ................................................................................................................. 101

RESULTADO 2 ................................................................................................................. 105

RESULTADO 3 ................................................................................................................. 108

RESULTADO 4 ................................................................................................................. 110

CONCLUSIONES .............................................................................................................. 114

RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 116

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................. 118

xiii

ANEXOS ............................................................................................................................ 122

ANEXO I. CONFIGURACION DE PROGRAMACION DEL PLC .................................... 123

ANEXO II. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA ................................................................... 129

ANEXO III. PROCESO FUERA DE ESPECIFICACION .................................................. 145

ANEXO IV. PROCESO DENTRO DE ESPECIFICACION............................................... 146

ANEXO V. PID................................................................................................................... 147

ANEXO VI. REPORTES.................................................................................................... 148

ANEXO VII. VARIABLES PLC ......................................................................................... 149

ANEXO VIII. VARIABLES SCADA................................................................................... 150

ANEXO IX. REPORTE EXCEL ......................................................................................... 151

ANEXO X. CODIGO REPORTE ....................................................................................... 152

ANEXO XI. METODOLOGÍA PMBOK PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA

AUTOMATIZADO DE CONTROL Y REGISTRO EN LA PASTEURIZACION ............... 154

ANEXO XII. DATOS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA EN UN

SISTEMA DE PASTEURIZACION ................................................................................... 155

xiv

INDICE FIGURAS

Figura 1. Diagrama del sistema automático para la pasteurización de productos ............ 28

Figura 2. Pantalla de un SCADA en Kimberly Clark Costa Rica ........................................ 30

Figura 3. Niveles de automatización. .................................................................................. 34

Figura 4. Control de lazo abierto. ........................................................................................ 34

Figura 5. Control de lazo cerrado........................................................................................ 35

Figura 6. Comportamiento del sensor TP100 ..................................................................... 36

Figura 7. Sensor de temperatura PT-100 ........................................................................... 37

Figura 8. Simbología eléctrica del sensor ........................................................................... 37

Figura 9. Actuadores hidráulicos de 2 y 3 vías ................................................................... 38

Figura 10. Simbología Actuadores hidráulicos de 3 vías ................................................... 38

Figura 11. PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY............................................................. 41

Figura 12. Estados operativos de la CPU ........................................................................... 45

Figura 13. Topología de bus de campo PROFINET ........................................................... 48

Figura 14. Termo registrador circular de Honeywell ........................................................... 50

Figura 15. Registro de papel circular .................................................................................. 51

Figura 16. Dimensionamiento del termo-registrador Honeywell DR4300 .......................... 52

Figura 17. PMBOK Diseño sistema de control y registro de la temperatura. .................... 57

Figura 18. Diagrama de flujo del proceso – PFD................................................................ 58

Figura 19. Registro del termo-registrador en papel circular ............................................... 59

Figura 20. Modelado topológico del sistema ...................................................................... 60

Figura 21. Modelado físico del sistema............................................................................... 60

Figura 22. Diagrama de un servo sistema .......................................................................... 61

Figura 23. Diagrama de bloques de un servo sistema ....................................................... 62

Figura 24. Diagrama de bloque del servo sistema simplificado ......................................... 64

Figura 25. Diagrama de bloque del sistema primer orden ................................................. 64

Figura 26. Diagrama de bloque del sistema de pasteurizado ............................................ 65

xv

Figura 27. Curva de desviación permitida del sensor TP100............................................. 66

Figura 28. Comportamiento de la función de transferencia del proceso............................ 68

Figura 29. Polos dominantes............................................................................................... 69

Figura 30. Mp - Overshoot(%) de la función de transferencia............................................ 70

Figura 31. Ts – settling time(s) de la función de transferencia........................................... 71

Figura 32. Función de transferencia del sistema con reducción a dos polos .................... 73

Figura 33. Sistema de pasteurizado con control PID ......................................................... 74

Figura 34. Diagrama de bloques función reducida a segundo orden ................................ 77

Figura 35. Curva representativa de la planta ...................................................................... 77

Figura 36.Diagrama de bloques de función reducida a segundo orden con PID .............. 78

Figura 37. Curva característica de la función reducida a segundo orden con control PID 78

Figura 38. Curva de las funciones de transferencia de segundo y tercer orden ............... 79

Figura 39. P&ID del sistema de pasteurización .................................................................. 79

Figura 40. Conexión del PLC .............................................................................................. 80

Figura 41. Diagrama de flujo del control y registro del sistema de pasteurizado .............. 81

Figura 42. Selección del PLC Siemens............................................................................... 81

Figura 43. Ajuste de la dirección IP en la interfaz PROFINET ........................................... 82

Figura 44. Creación de variables en el PLC ....................................................................... 82

Figura 45. Creación bloque FUNCION ............................................................................... 83

Figura 46. Configuración del bloque FUNCION, BD TT01 ................................................. 84

Figura 47. Bloque de función: SCALE ................................................................................ 84

Figura 48. Escalamiento lineal ............................................................................................ 85

Figura 49. Segmento escalamiento de datos analógicos ................................................... 86

Figura 50. Bloque de organización: Cycle Interrupt............................................................ 87

Figura 51. Bloque de programa Cycle Interrupt.................................................................. 88

Figura 52. Bloque de programa Cycle Interrupt: PID_Compact ......................................... 88

Figura 53. Bloque de programa Cycle Interrupt: PID_Compact BD: TIC01....................... 89

xvi

Figura 54. Bloque PID_Compact: TIC01............................................................................. 89

Figura 55. Marca de datos para prueba de valores ............................................................ 90

Figura 56. Forzar datos de prueba...................................................................................... 90

Figura 57. Dato forzado 16824............................................................................................ 91

Figura 58. Dato forzado 16824 a 60°C ............................................................................... 91

Figura 59. Bloque FUNCION: Secuencia............................................................................ 92

Figura 60. Diagrama LADDER de la secuencia.................................................................. 93

Figura 61. MAIN del Proyecto ............................................................................................. 93

Figura 62. Configuración de variables PLC al ONLINE TREND CONTROL Proceso....... 94

Figura 63. Diseño del proceso de pasteurización............................................................... 94

Figura 64. Sintonización de variables PID SCADA ............................................................ 95

Figura 65. ONLINE TABLE CONTROL Reporte................................................................. 96

Figura 66. Curva representativa del control de la electroválvula ....................................... 99

Figura 67. Variable del proceso dentro de especificación ................................................ 102

Figura 68. Proceso de pasteurización dentro de parámetros estándar ........................... 103

Figura 69. Variable del proceso fuera de especificaciones .............................................. 103

Figura 70. Variable del proceso fuera de parámetros estándar ....................................... 104

Figura 71. Variable de temperatura controlada ................................................................ 104

Figura 72. Configuración manual de la salida del controlador ......................................... 105

Figura 73. Curva representativa del control PID............................................................... 106

Figura 74. Registro de temperatura por el control PID ..................................................... 107

Figura 75. Configuración de toma de datos del sistema .................................................. 108

Figura 76. Tiempo de registro de datos de temperatura al reporte.................................. 109

Figura 77. Proceso de pasteurización controlada ............................................................ 109

Figura 78. Registro de datos en tiempo real ..................................................................... 110

Figura 79. Generación de reporte en intervalos de fecha y tiempo ................................. 111

Figura 80. Creación del proyecto en TIA Portal V.14 ....................................................... 123

xvii

Figura 81. Configuración de dispositivos en el proyecto “Registrador” ............................ 123

Figura 82. Nivel de acceso: acceso completo .................................................................. 124

Figura 83. Permisos de PUT/GET del interlocutor remoto ............................................... 124

Figura 84. Variables PLC .................................................................................................. 125

Figura 85. Vinculación DB:TT01 con DB: TIC01 .............................................................. 125

Figura 86. Configuración PID: Temperatura ..................................................................... 126

Figura 87. Configuración PID: Input/Output ...................................................................... 126

Figura 88. Configuración PID: Input/Output entre Bloques .............................................. 126

Figura 89. Límites del valor de salida ............................................................................... 127

Figura 90. Escala del valor real ......................................................................................... 127

Figura 91. Parámetros PID................................................................................................ 128

Figura 92. Proyecto REGISTRO_TEMP ........................................................................... 129

Figura 93. Configuración del sistema SCADA .................................................................. 129

Figura 94. Dispositivo SIMATIC S71200 al SCADA ......................................................... 130

Figura 95. Conexión del dispositivo SIMATIC S71200 al SCADA ................................... 130

Figura 96. Conexión Protocolo Internet SCADA............................................................... 131

Figura 97. Configuración IP del PLC................................................................................. 131

Figura 98. Contraseña PLC al SCADA ............................................................................. 132

Figura 99. Lectura de variables del PLC........................................................................... 132

Figura 100. Variables vinculadas del PLC al SCADA....................................................... 133

Figura 101. Selección de variables PLC al SCADA ......................................................... 133

Figura 102. Guardar selección de variables ..................................................................... 134

Figura 103. Visualización de variables vinculadas ........................................................... 134

Figura 104. Graphics designer .......................................................................................... 135

Figura 105. Editor de objetos estándar ............................................................................. 135

Figura 106. I/O Field .......................................................................................................... 136

Figura 107. Vinculación de cada variable con los I/O Field.............................................. 136

xviii

Figura 108. Configuración de tiempo de actualización de datos I/O ................................ 137

Figura 109. Configuración de campos de ingreso y visualización de datos .................... 137

Figura 110. ONLINE TREND CONTROL Proceso ........................................................... 138

Figura 111. Visor de activación y desactivación de válvula ............................................. 138

Figura 112. Diseño del proceso de pasteurización con visor ON/OFF ............................ 139

Figura 113. Configuración de color ON/OFF .................................................................... 139

Figura 114. Vinculación de variable PROCESO_STATE ................................................. 139

Figura 115. Selección de variable PROCESO_STATE.................................................... 140

Figura 116. Configuración de variable PROCESO_STATE ON/OFF .............................. 140

Figura 117. Agregar campos I/O PID ................................................................................ 141

Figura 118. ONLINE TREND CONTROL PID .................................................................. 141

Figura 119. Vinculación de variables PID al SCADA........................................................ 142

Figura 120. Configuración de variables ONLINE TREND CONTROL PID ...................... 142

Figura 121. Selección de variables PID ............................................................................ 143

Figura 122. Selección de variables para el REPORTE .................................................... 143

Figura 123. Configuración REPORTE .............................................................................. 144

Figura 124. Vista código Visual Basic para generación de código .................................. 144

Figura 125. Vista SCADA PROCESO: Variable de temperatura fuera de los parámetros

establecidos ....................................................................................................................... 145

Figura 126. Vista SCADA PROCESO: Variable de temperatura dentro de los parámetros

establecidos ....................................................................................................................... 146

Figura 127. Vista SCADA PID: Configuración sintonización PID ..................................... 147

Figura 128. Vista SCADA REPORTE: Configuración y sintonización PID ...................... 148

Figura 129. Variables finales del PLC ............................................................................... 149

Figura 130. Variables totales SCADA ............................................................................... 150

xix

INDICE TABLAS

Tabla 1. Características Físicas – Químicas de diferentes frutas ...................................... 29

Tabla 2. Registradores de temperatura para la pasteurización ......................................... 32

Tabla 3. Estructura del PLC S7-1200 SIEMENS ................................................................ 42

Tabla 4. Atributos de los PLC: Familia S7-1200 ................................................................. 44

Tabla 5. Comparación de utilidades de los sistemas de comunicación ............................. 47

Tabla 6. Escalamiento de datos analógicos PLC ............................................................... 85

Tabla 7. Selección del sensor de temperatura ................................................................... 97

Tabla 8. Selección del actuador 3 vías ............................................................................... 98

Tabla 9. Selección de la electroválvula ............................................................................... 99

Tabla 10. Selección del PLC ............................................................................................. 100

Tabla 11. Parámetros ejemplo para proceso .................................................................... 102

Tabla 12. Comparación de resultados 1 ........................................................................... 105


Tabla 14. Ejecución de funciones matemáticas................................................................ 108


Tabla 16. Registro de temperatura en EXCEL ................................................................. 111


Tabla 18. Comparación de registros de temperatura ....................................................... 112

Tabla 19. Reporte temperaturas ....................................................................................... 151

Tabla 20. PMPOK - Diseño de un sistema automatizado para el control y registro ........ 154

xx

INDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Formulación PID, Ogata (2010) ...................................................................... 49

Ecuación 2. Fuerza electromotriz, Ogata (2010) ................................................................ 62

Ecuación 3. Ecuación diferencial para el circuito inducido, Ogata (2010) ......................... 62

Ecuación 4. Ecuación de equilibrio par, Ogata (2010) ....................................................... 62

Ecuación 5. Relación circuito inducido y equilibrio par, Ogata (2010) ............................... 63

Ecuación 6. Razón de engranajes del tren de engranajes, Ogata (2010) ......................... 63

Ecuación 7. Función de transferencia GA(s) del servomotor .............................................. 63

Ecuación 8. Función de transferencia G(s) simplificada .................................................... 64

Ecuación 9. Función de transferencia para sistemas térmicos, Ogata (2010) .................. 64

Ecuación 10. Ganancia Ks relación temperatura / voltaje .................................................. 65

Ecuación 11. Función de transferencia del sistema pasteurizado con ganancia K ........... 65

Ecuación 12. Constante del sensor TP100......................................................................... 66

Ecuación 13. Multiplicación de funciones de transferencia ................................................ 66

Ecuación 14. Función de transferencia del sistema pasteurizado ..................................... 66

Ecuación 15. Relación de respuesta a una rampa unitaria de un sistema de primer orden

............................................................................................................................................. 67

Ecuación 16. Función de transferencia de 3 orden ............................................................ 67

Ecuación 17. Función de transferencia retroalimentada .................................................... 68

Ecuación 18. Consideraciones para polos dominantes...................................................... 69

Ecuación 19. Sistema en lazo cerrado, Ogata (2010) ........................................................ 71

Ecuación 20. Función de transferencia del sistema con reducción a dos polos................ 72

Ecuación 21. Función de transferencia del controlador PID .............................................. 74

Ecuación 22.Función de transferencia de la planta controlada con PID............................ 74

Ecuación 23. Polinomio característico del sistema ideal controlado.................................. 75

Ecuación 24. Interpolación de datos analógicos temperatura a número. .......................... 86

Ecuación 25. Interpolación de datos analógicos PLC. ....................................................... 86

xxi

INTRODUCCION

Los sistemas automatizados que integran el control, supervisión y registro de los procesos

de manufactura, permiten de manera remota a través de estaciones PC o HMI, el control

óptimo de la producción y lo más importante el registro de este en tiempo real e histórico.

La presente investigación consiste en el diseño de un sistema de supervisión y control, que

integre el registro de temperatura en la elaboración de alimentos mediante SCADA. Para

ello, se configura la programación en un controlador industrial de la familia Siemens y se

desarrolla las pantallas del SCADA, el cual contienen las siguientes vistas: producción, PID

y reporte.

En el tercer capítulo, se precisa el diseño del sistema SCADA. En la pantalla Producción,

se visualiza el comportamiento del sistema de pasteurización en tiempo real, también es

aquí en donde se configura los límites permitidos para el correcto procesamiento de

producción del alimento líquido, y el punto de referencia estándar esperado. En la pantalla

PID, se configura los parámetros del control PID, el cual permite la sintonización de las

ganancias. En Reporte se visualiza el comportamiento del proceso y se genera reportes de

históricos de la variable temperatura en rangos de fechas y horas.

El alcance obtenido es el desarrollo paso a paso de un sistema SCADA para el control y

registro de la variable temperatura en el proceso de Pasteurización de alimentos líquidos.

Por último, el presente trabajo está orientado para optimizar la producción y exportación

de alimentos líquidos con altos estándares de calidad en el Perú.

22

CAPITULO 1

ASPECTOS GENERALES

1.1 Definición del problema

1.1.1 Descripción del problema

En el Perú existen empresas dedicadas a la producción y exportación de alimentos líquidos

como pulpa de frutas; sin embargo, la mayoría opta por sistemas de control convencionales

para la producción de estas, por tal motivo la producción final no cumple con los estándares

necesarios para la certificación, como la ISO 9001. En la actualidad, la globalización es

parte de nuestra cultura, principalmente de la industria, es por ello por lo que los diversos

sistemas de las empresas extranjeras también sean utilizados en Perú, una de ellas y la

más provechosa es la automatización, sus beneficios en las industrias son muchos:

disminución de tiempos de ciclos de producción, incremento de la productividad, calidad y

confiabilidad, reducción de mermas y desperdicios, mejor utilización de los ambientes,

declinación de costos conversión, reducción de accidentes, entre otros. Por estos motivos

en estos tiempos tan competitivos es indispensable para toda industria automatizar sus

procesos, sistemas y maquinarias. (Piérola, 2017)

En el año 2017 las exportaciones incrementaron un 9% impulsada principalmente por el

sector agropecuario. Este sector representa para el Perú una actividad económica

significativa. Por ello, el gobierno deja a disposición programas como Sierra Exportadora y

23

Sierra Productiva que respaldan al crecimiento de industrias asociados a la agricultura

(Hernández, 2017).

El Perú es un país productor de una gran diversidad de frutas, que en muchos casos aún

son catalogadas como frutas exóticas para el resto del mundo (Loarte y Yali, 2015). Por

otro lado, el incremento del consumo de productos procesados se ve favorecido por la

creciente población hispana, la diversificación del gusto por consumir productos “étnicos”

y el aumento de restaurantes extranjeros (PROMPERÚ, 2010).

La producción de pulpa en el año 2013 tuvo como oferta nacional exportable el 26% de las

frutas congeladas, este porcentaje incluye a las pulpas de chirimoya y maracuyá, las cuales

fueron exportadas a Estados Unidos, con un peso neto de 1,820,730.99 Kg y un total de

ventas, a precio FOB, de 4,044,150 dólares (Loarte y Yali, 2015).

Entre el 2010 y 2015 las exportaciones de frutas reportaron un crecimiento de 236,0%,

acentuándose anualmente en promedio de 27,4%. Según El Instituto Nacional de

Estadística e Informática (INEI) en el 2016, en los periodos de enero a octubre, las frutas y

frutos comestibles se posicionaron en el primer lugar de los bienes no tradicionales más

exportados (INEI, 2016).

Por ello, La presente investigación tiene como propósito principal el diseño de control y

registro en el sistema de pasteurización para la pulpa de fruta, ya que esto permitirá que la

producción cumpla con los estándares exigidos por el mercado.

1.1.2 Formulación del problema

1.1.2.1 Problema general

¿En qué medida la integración de un sistema de control y registro de temperatura, en el

proceso de fabricación de alimentos líquidos, permitirá optimizar la producción para cumplir

con los estándares de comercialización?

http://larepublica.pe/economia/741513-economia-peruana-crecio-326-en-el-2015-segun-el-inei

24

1.1.2.2 Problemas específicos

• ¿En qué medida, la implementación de un programa con algoritmo PID mediante

PLC, asegura el control de la temperatura en el proceso de fabricación de alimentos

líquidos, que permita optimizar la producción para cumplir con los estándares de

comercialización?

• ¿Cómo diseñar un sistema de registro y control en el proceso de pasteurización

para asegurar la calidad del producto?

• ¿En qué medida crear registros en tiempo real e históricos de la producción en

archivos EXCEL garantiza la gestión de la producción?

1.2 Definición de objetivos

1.2.1 Objetivo general

Diseñar un sistema de control y registro de temperatura, para el proceso de fabricación de

alimentos líquidos, que permita optimizar la producción para cumplir con los estándares de

comercialización.

1.2.2 Objetivos específicos

• Diseñar el programa para el PLC, con algoritmo PID para el control de la

temperatura.

• Diseñar la interfaz SCADA para el monitoreo, control y registro del proceso de la

pasteurización.

• Crear registros en tiempo real e históricos de la producción en archivos EXCEL para

la gestión de la producción.

1.3 Alcances y limitaciones

1.3.1 Alcances

• Control del sistema de pasteurizado desde una estación PC o HMI.

• Regulación y parametrización del control PID desde el SCADA.

• Sistema automatizado con alto nivel de seguridad en almacenamiento de datos.

25

• Creación de registros auditables, no manipulables.

1.3.2 Limitaciones

• Los aspectos no considerados en la presente tesis para la producción de alimentos

líquidos son: el control y supervisión de dispositivos auxiliares ajenos al proceso de

pasteurización.

• Cálculo y diseño mecánico y eléctrico de la planta de procesamiento de producto.

• Añadir más variables de control desde la interfaz SCADA.

1.4 Hipótesis

1.4.1 Hipótesis general

La integración de un sistema de control y registro de temperatura, en el proceso de

fabricación de alimentos líquidos, permite la óptima producción con los estándares de

comercialización.

1.4.2 Hipótesis específicas

• Al programar un PLC con algoritmo PID se asegura el correcto el control de la

temperatura en el proceso de pasteurización, por ende, la calidad del producto

pasteurizado.

• El monitoreo, control y registro de la pasteurización en tiempo real a través de un

sistema SCADA certifica la producción como producto de buena calidad, apto para

el consumo.

• La creación de archivos, hojas de cálculos EXCEL con los datos de producción en

tiempo real e históricos garantiza el análisis y gestión de la producción.

26

1.5 Justificación

1.5.1 Justificación práctica

La presente investigación se realiza porque existe la necesidad de automatizar los

procesos como la pasteurización mediante un sistema de registro y monitoreo. La

información se obtendrá en tiempo real y en históricos del estado en que el producto se

encuentra en la etapa final y crítico del proceso.

Es por esto por lo que se da énfasis al correcto registro y control del proceso, y así tener

datos auditables para la certificación, confiabilidad y comercialización del producto final.

Por otro lado, el desarrollo del trabajo presentado se justifica en:

1.5.2 Impacto económico

El desarrollo de sistemas automáticos para almacenar información en tiempo real e

históricos, optimiza tiempos de trabajo, genera mayor versatilidad en el control de

inventario, y reduce la intervención de mecánica, por consiguiente, incrementa la eficiencia

en el proceso de manufactura, asimismo ofrece muchas oportunidades de mejora en la

productividad y rentabilidad.

1.5.3 Impacto tecnológico

Con el presente proyecto se incentiva la aplicación de la automatización en el sector

agroindustrial, ya que en la actualidad urge esta necesidad de optimizar las tareas de

manera eficiente. Este desarrollo son herramientas clave para la evolución de las

empresas, hoy en día, el uso de la automatización para el registro y almacenamiento

automático logra aumentar la competitividad, reducir tiempos de ciclo y reprocesos.

1.5.4 Impacto social

El presente proyecto aporta conocimientos de estandarización de procesos, conocimientos

técnicos y analíticos; algunas de estas desarrolladas en la carrera y otras aprendidas en el

trabajo. Por otro lado, introducir sistemas automatizados de control y registro en los

27

procesos de producción, agiliza la manufactura aumentando la confiabilidad de información

y disminuyendo los riesgos de accidentes y/o incidentes que atenten contra el bienestar

humano.

1.5.5 Impacto ambiental

El proyecto propuesto permite aprovechar el control y registro desde diferentes áreas de

trabajo, es decir que no necesariamente el usuario tiene que estar cerca al sistema de

pasteurización, si no también se puede aprovechar otros ambientes para llevar dichas

actividades de manera rápida y segura.

1.6 Estado del arte

1.6.1 Estado del arte técnico

La automatización en la industria se refiere a optimizar los procesos de producción, para

así disminuir la intervención del hombre, costos, conversión y obtener un mejor producto

final. (Dario, De la Fuente & Ecarnación, 2015).

Actualmente en el Perú las empresas contratan más personal para que todo el proceso de

fabricación se realice de la mejor manera, lo que resulta tiempo perdido, por lo tanto,

pérdidas económicas a la empresa (Mayorga, CEO de SDI), las empresas con procesos

de producción automatizados tienen un margen de error de 0.001% lo cual es una gran

diferencia respecto a las que no están automatizadas.

En estos últimos años, se inició un interés por automatizar los procesos de manufactura en

el Perú. Diversas empresas empezaron a introducir la automatización en sus procesos de

producción, por ejemplo, empresas del sector alimenticio, como las industrias exportadoras

de pulpa de fruta. (Piérola, 2017).

Un sector del norte de país, empresas pequeñas de exportación de pulpa de fruta, utilizan

registradores semiautomáticos circulares que recolectan datos mediante gráficas en papel

circular, haciendo uso de lápices que se desplazan por medio de agujas conectadas a un

28

motor eléctrico. Los problemas que tienen estos dispositivos son la calibración, cambio de

hojas de papel, cambio de lápices o marcadores y alto mantenimiento.

El “Diseño e implementación de máquina automática multifunciones para obtener

mermeladas, jugos de fruta y pulpa de fruta pasteurizada” de los ingenieros: Villalva Lenin

y Echeverría Eduardo, integra un sistema electrónico de control de temperatura por medio

de un PLC, el cual, mediante una secuencia programada, sensores y actuadores, permite

la adecuada pasteurización del producto.

Como se muestra en la Figura 1, un sistema automático para la pasteurización de

productos líquidos.

Figura 1. Diagrama del sistema automático para la pasteurización de productos

Fuente: (Villalva & Echeverria, 2012, p. 56)

El “Estudio del proceso de producción de pulpas de frutas combinadas pasteurizadas y

congeladas a mediana escala” del ingeniero Alvarado Landírez Eduardo, promueve el

estudio de la pasteurización como proceso fundamental para el tratamiento correcto de las

frutas, garantizando la inocuidad y seguridad del producto que se produzca. También

29

describe las características físicas – químicas de diferentes tipos de frutas las cuales deben

conservar para su comercialización. Como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Características Físicas – Químicas de diferentes frutas

Características Físicas – Químicas de diferentes frutas

Fuente: (Alvarado, 2011, p. 2)

También, la propuesta de Parra Quispe Aníbal, en su publicación “Diseño e implementación

de controladores PID industriales” enfatiza la utilización del logaritmo PID para el control de

procesos de lazo cerrado, como es el caso de la pasteurización de alimentos líquidos.

30

Es así como el ingeniero Pérez López Esteban, en su publicación “Los sistemas SCADA

en la automatización industrial” enfoca la relevancia de los sistemas de supervisión, control

y adquisición de datos, como pieza fundamental de la automatización de la manufactura

industrial actual.

Menciona que la implementación de un sistema SCADA permite al ser humano no

interactuar directamente con los procesos, sin la necesidad de asumir riesgos en la planta,

previniendo accidentes e incidentes, mejorando los tiempos de ciclo de fabricación,

eficiencia y calidad. A continuación, en la Figura 2, un ejemplo de sistema SCADA:

Figura 2. Pantalla de un SCADA en Kimberly Clark Costa Rica

Fuente: (Pérez, 2015, p. 10)

31

En la investigación “Planta agroindustrial de procesamiento de frutas para la exportación

del producto primario y derivados”, de Oliva Jairon, propone la implementación de plantas

de procesamiento de productos basados en frutas, las cuales tienen que pasar por un

procedimiento térmico o pasteurización, además, la implementación de plantas

agroindustriales también se propone en la publicación “Diseño, construcción e instalación

de una pulpeadora de frutas regionales para su uso en la industria alimentaria en la ciudad

de Iquitos”, de los ingenieros Ugarte Diego, Palomino Carlos, y Chota Elías.

Entonces la implementación de sistemas automáticos para la correcta producción de

productos en el Perú, tiene gran importancia; por ello la presente investigación se basa

principalmente en el tratamiento del sistema de pasteurización, para asegurar el grado de

calidad de los productos, como registrar los eventos de producción para una correcta

trazabilidad y certificación.

32

1.6.2 Estado del arte tecnológico

En la Tabla 2¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se muestran dispositivos

de registro y control de la temperatura, estos en la actualidad se encuentran en el mercado,

cada uno con diferentes características.

Tabla 2. Registradores de temperatura para la pasteurización

Registradores de temperatura para la pasteurización

Nombre del equipo

Imagen Forma de registro

Variables Comunicación Pantalla Rango

Temperatura

Registrador Circular

DICKSON TH8, TH6

Gráfica Papel

circular

Temperatura Humedad

No 8” -20°C a +50°C


ANDERSON

INSTRUMENT AV-9900

Gráfico Papel

circular

Temperatura

No 12” 0°C a 50°C


SENTINEL BRITISH

ROTOTHERM

Gráfico

Papel circular

Temperatura Presión

Caudal Humedad

No 9.6” 0°C a 100°C

Registrador

Circular PCI INSTRUMENT

PCR100

Gráfico Papel

circular

Temperatura Presión

No 9” -200°C a +600°C

Registrador Circular ABB

C1300

Gráfico Papel

circular

Temperatura Presión Caudal

Humedad

Si ModBus RS485

10” 0°C a 55°C


HONEYWELL DR4300

Gráfica Papel

Circular

Temperatura Si

ModBus RS485 10” 0°C a 55°C

33

Fuente: Elaboración propia

CAPITULO 2

BASES TEORICAS

2.1 Fundamentos teóricos

2.1.1 Automatización

La automatización hoy en día se ha posicionado como pilar importante en la industria

manufacturera. Los procesos automatizados generan una productividad eficaz,

asegurando los estándares de producción exigidos por el mercado.

Es así, que Romero (2009) define automatización como:

“El concepto de automatización se asocia con la eliminación o disminución de la participación humana en los diferentes procesos productivos teniendo en cuenta la aplicación de sistemas mecánicos, electrónicos y computarizados, con el fin de operar y controlar la producción con mayor eficiencia y eficacia”

Además, Pérez (2015) menciona que es un proceso que se ejecuta sin la intervención

continua de un operador, y un sistema SCADA apoya a esto, ya que permite el acceso

completo, control y visualización a través una pantalla de computador o interfaz humano

máquina. De esta forma los sistemas SCADA ofrecen una perspectiva integrada: recursos

34

de control e información de la planta para poder visualizar e interactuar con los procesos

mediante su representación gráfica.

Los niveles de la automatización se visualizan en la Figura 3.

Figura 3. Niveles de automatización.

Fuente: (Toscano, 2010, p. 16)

2.1.2 Control de lazo abierto

Son sistemas en donde el producto final depende de un solo proceso de fabricación, sin

consideración de cambios o perturbaciones en las etapas de producción, es decir, estos

sistemas actúan sobre una señal de entrada única y se tiene como resultado final una

producción con variables imparciales a las alteraciones que puedan ocurrir en el momento

de la producción, por ello, no se compara la salida con la entrada de referencia.

Estos sistemas se caracterizan porque son simples de implementar, el producto final es

afectado por las perturbaciones y no garantiza la estabilidad de la producción, en la Figura

4, se muestra el sistema de control de lazo abierto.

Figura 4. Control de lazo abierto.

35


2.1.3 Control de lazo cerrado

Estos sistemas son complejos, ya que la respuesta del control depende de la señal de

salida al ser comparada con la señal de entrada de referencia, es decir en todo el proceso

la variable deseada al final se obtiene mediante una retroalimentación por medio de

sensores y actuadores.

La producción en estos sistemas es más estable ante cualquier perturbación que se

presente externamente o cualquier cambio generado internamente en todo el proceso de

fabricación. En la Figura 5, se muestra el sistema de control de lazo cerrado.

Figura 5. Control de lazo cerrado


2.1.4 Elementos de un sistema automatizado industrial

2.1.4.1 Sensor

Los sensores son compontes dedicados a la transformación de señales físicas o químicas

a señales eléctricas, y son interpretados por un transmisor, el cual estandariza dicha señal

para poder enlazar los datos a equipos electrónicos como controladores (López & Moyón,

2011).

Estos son responsables de entregar el estado que se encuentra la variable del proceso, en

la entrada o en la salida del sistema, con la finalidad de compararlo con la señal o variable

deseada o de referencia.

36

En otras palabras, los sensores son los responsables en indicar mediante señales

eléctricas estandarizadas al controlador, el estado actual en que se encuentra la variable

física ya sea del ambiente o del proceso en sí, para que, de esta forma por medio de

instrucciones lógicas, se realice el control previamente diseñado.

En esta investigación, se analiza de manera directa la variable de temperatura, en que se

encuentra el producto cuando es procesado en el sistema de pasteurización.

2.1.4.2 Sensor de temperatura PT100

La temperatura es el parámetro más común en la industria, pero muy necesaria. En la

presente investigación se utiliza el sensor de Platino PT-100 para censar esta variable.

Este sensor está fabricado mayormente de platino. Cuando el proceso se encuentra a 0°C,

este presenta una resistencia de 100 Ohmios; y al incrementar la temperatura aumenta su

resistencia eléctrica. Este incremento de resistencia se comporta como una función no

lineal, pero ascendente, propio del material Platino (ver Figura 6), de tal forma que, por

medio de tablas experimentales, se halla la temperatura en que se encuentra el proceso

(Reissmann, 2018).

Figura 6. Comportamiento del sensor TP100

Fuente: (Arian, 2018, p. 1)

Las características favorables de esta familia de sensores PT-100, son la precisión de

medida ya que es de ±0.5°C, la respuesta de cambio de estado actual de la variable es

37

rápida, son bajo costo y de rápido cambio o mantenimiento. En la Figura 7 se muestra el

sensor PT-100, y en la Figura 8 se visualiza su simbología eléctrica.

Figura 7. Sensor de temperatura PT-100

Fuente: (Reissmann, 2018, p. 1)

Figura 8. Simbología eléctrica del sensor


2.1.4.3 Actuador

Los actuadores en los procesos industriales son los responsables de realizar los cambios

en los sistemas de producción que interactúa directamente o no, con el producto.

Estos podrían ser lámparas de señalización, válvulas neumáticas o hidráulicas,

contactores, entre otros dispositivos de activación eléctrica. (Mendoza, 2014)

En la presente investigación, para el control y desviación del producto que no cuenta con

los valores estándares de fabricación, es necesario utilizar mínimo una válvula de control

de tres vías, la cual son muy requeridos para aplicaciones en las que sea indispensable la

38

recirculación del producto en el sistema de pasteurización, ya sea mezclando o

diversificando el mismo. En la Figura 9 se muestra los actuadores de paso de flujo.

Figura 9. Actuadores hidráulicos de 2 y 3 vías

Fuente: (Siemens, 2019, p. 10)

Figura 10. Simbología Actuadores hidráulicos de 3 vías

Fuente: (Mendoza, 2014, p. 17)

2.1.4.4 Planta

En la industria, se denomina planta al sistema integrado de maquinarias, diseñados para

la producción de algún determinado material (Oliva, 2015). Por ejemplo, en la presente

tesis se refiere como planta al Pasteurizador. En esta parte del sistema de producción, es

39

donde se realizará el control y registro de las variables necesarias para la correcta

fabricación y apta para su comercialización y consumo.

2.1.5 Proceso automatizado

Los procesos para la fabricación de algún producto determinado, como por ejemplo para

la fabricación de pulpa de fruta, se lleva acabo determinadas etapas de producción, las

cuales transforman la materia prima en un producto final, listo para la comercialización y

posteriormente para el consumo.

Un modelo de proceso automatizado busca garantizar la compenetración de tareas

productivas; es decir, organizar e integrar componentes de sistemas para lograr un

eficiente proceso productivo (Redondo y Moreno, 2008).

2.1.6 Variable del proceso

Estas variables son cambiantes en todo el proceso de fabricación, indica el valor físico o

químico que se encuentra el producto en el momento en que es procesado dentro de la

planta. En un sistema de lazo cerrado, estas variables son dependientes a las

perturbaciones y respuestas que se genere al momento en que los actuadores intervienen

por la comparación de magnitudes, entre las señales de salida y las señales deseadas:

variables de referencia.

2.1.7 Variable de referencia

Estas variables indican la magnitud deseada para el adecuado proceso de fabricación. Es

decir que, mediante una retroalimentación de la señal de salida, este se compara y así se

toma decisiones respecto al estado actual del proceso. Obteniendo al final un producto

elaborado con los estándares exigidos por el mercado.

2.1.8 Controladores industriales

Los controladores son dispositivos electrónicos, encargados de procesar señales, ejecutar

sentencias lógicas, activar o desactivar sistemas, para el control de los procesos; en esta

investigación se utiliza como controlador un PLC de la marca Siemens. Su principal

40

utilización es para el análisis de magnitudes físicas, el procesamiento de datos y finalmente

el control de algún proceso por medio de los sensores y actuadores.

En la actualidad los controladores industriales son muy utilizados en los procesos de

fabricación, ya que aseguran la producción por el rápido procesamiento de datos y control

de la planta.

2.1.9 Controlador Lógico Programable

También conocidos como PLC por sus siglas en inglés: Programmable Logic Controller,

así lo define la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de los Estados Unidos. Estos

autómatas son dispositivos electrónicos utilizados para la programación en automatización

industrial (Contreras & Puerto, 2014), ya que cuentan con una memoria de almacenamiento

de instrucciones para el desarrollo de funciones lógicas, secuenciales, temporizadas,

aritméticas, entre otros; permitiendo así el control de los procesos de fabricación.

Entonces estos dispositivos electrónicos industriales son utilizados para el control y

monitoreo de tareas secuenciales, ya que estos autómatas son conectados a diferentes

sensores dependiendo de los procesos y así con las señales captadas realiza diferentes

tareas: activando y desactivando diferentes actuadores que intervienen en la manufactura.

(López & Vecilla, 2012)

Según lo definido, el PLC cuenta con entradas de sensores y salidas de actuadores, los

cuales aseguran el control de la producción de manera automática sin la intervención

directa de un operador.

En la Figura 11, se muestra un PLC de la marca SIEMENS, familia S7-1200, 1214C

AC/DC/RLY.

41

Figura 11. PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY

Fuente: (Siemens AG, 2010, p. 12)

2.1.10 Tipos de PLC

En la actualidad existen muchos tipos de controladores lógicos programables, de diferentes

niveles, para diferentes procesos y utilizaciones. En la presente tesis se describe el PLC

S7-1200 CPU1214C de la marca Siemens. Este autómata será utilizado para el control y

registro en la etapa de la pasteurización de la pulpa de fruta, ya que cumple con las

características necesarias para el control de este sistema.

2.1.11 Estructura de un PLC

Todos los autómatas tienen tres partes principales: la interfaz de entrada, la unidad central

de proceso (CPU) e interfaz de salida. En la tabla 3, se compara las estructuras del PLC

Siemens, de las familias S7-1200.

42

Tabla 3. Estructura del PLC S7-1200 SIEMENS

Estructura del PLC S7-1200 SIEMENS


2.1.12 Entradas digitales

En la electrónica, las entradas digitales se les conoce como entradas binarias, es decir

sistemas que se encuentran sólo en dos estados: cero o uno, On – Off, activado o

desactivado. Existe módulos e interfaces de entradas digitales que trabajan a tensiones de

5, 12, 24 y 48 voltios continuos y otros que trabajan en 110 y 220 voltios alternos; en este

caso utilizaremos tensiones de 24 voltios continuos como señales digitales.

43

2.1.13 Entradas analógicas

Cuando se trabaja con sensores de diferentes magnitudes físicas, como en este caso

particular la temperatura, las señales eléctricas que emite el sensor son estandarizadas

por medio de un transmisor, que finalmente entrega señales eléctricas variables contenidas

en rangos como, por ejemplo: 0 a 20 miliamperios, 4 a 20 miliamperios, 0 a 5 voltios o 0 a

10 voltios; entonces analizar las infinidades de señales eléctricas contenidas en cualquiera

de estos rangos, sería muy complejo para una interfaz de entrada digital; por ello se

dispone también de entradas analógicas, que convierten las señales eléctricas en valores

numéricos según el estado en que se encuentre la magnitud medida, esto gracias a los

conversores analógicos a digital que contienen estas interfaces.

2.1.14 Salidas digitales

Las salidas digitales hacen referencias a activaciones y desactivaciones eléctricas. Los

PLC disponen de diferentes tipos de salidas digitales, los más comunes son por Relé; como

su propio nombre lo menciona, los módulos de salida por relé son diseñados por estos

dispositivos electromecánicos. También existen otros tipos de salidas digitales como, por

ejemplo: salidas a transistor o triac, las cuales son accionamientos electrónicos.

2.1.15 Salidas analógicas

Así como las señales analógicas de entrada, también se puede generar señales analógicas

de salida, mediante el conversor digital a analógico, la cual toma los valores numéricos del

programa y genera tensiones variables. Este tipo de señales son utilizados sólo por

dispositivos que admiten un mando analógico, como los variadores de velocidad, las

válvulas proporcionales, reguladores de temperatura, entre otros.

2.1.16 Fuente de alimentación

La fuente de alimentación es la encargada de proporcionar la tensión necesaria para el

correcto funcionamiento del PLC. En este caso, la tensión necesaria para el PLC utilizado

es de 220 voltios alternos.

44

En la Tabla 4 se muestran los atributos principales de los PLC Siemens de la familia S7-

1200.

Tabla 4. Atributos de los PLC: Familia S7-1200

Atributos de los PLC: Familia S7-1200


2.1.17 Procesador

El procesador es el responsable de ejecutar las instrucciones programadas por el usuario.

Es aquí en donde se almacena toda la información y se procesa para ejecutar las tareas

programadas por medio de la interfaz de entra y salida. También, aquí se administra la

comunicación entre los dispositivos que interactúan en el mismo proceso y en la misma red

industrial.

2.1.18 Memoria

Todo PLC, tiene un bloque de memoria que permite el almacenamiento de datos del

proceso como las señales de entradas y salidas, las variables internas, constantes y datos

alfanuméricos; y también el almacenamiento de datos de control como las instrucciones

programadas, autodiagnóstico y la configuración de este.

2.1.19 Tipos de memoria

El bloque de memoria se divide principalmente en cuatro secciones:

2.1.19.1 Memoria de instrucciones programadas

Es la sección en donde se almacena toda la lógica diseñada para la ejecución del sistema

de control.

45

2.1.19.2 Memoria de tablas

Es aquí en donde se registran las marcas o etiquetas, registradores, contadores,

temporizadores, entre otros.

2.1.19.3 Memoria del sistema

Es la sección en donde no se tiene acceso, ya que es propio del PLC, es aquí en donde se

almacena los datos del sistema del autómata.

2.1.19.4 Memoria externa

Los PLC tienen opción de poder contener un bloque de memoria externa, en donde también

se almacena instrucciones programadas por el usuario y tablas de datos.

2.1.20 Funcionamiento de un PLC

El funcionamiento de los autómatas es de manera cíclica y secuencial, es decir, se ejecutan

las instrucciones previamente programadas uno a uno, considerando la lógica establecida.

Para ello existen tiempos de procesamiento de instrucciones, que se conocen como:

Tiempo de barrido o SCAN TIME; estos tiempos son los que demanda el PLC para

completar un ciclo. En la Figura 12, se muestra los estados operativos de la CPU del PLC.

Figura 12. Estados operativos de la CPU


46

2.1.20.1 Autodiagnóstico

Es la verificación tanto del software como el hardware, con el fin de conocer el estado del

autómata. Esto ocurre cuando el PLC es conectado a la fuente de alimentación.

2.1.20.2 Lectura de la interfaz de entradas

El autómata por medio del registro de entradas obtiene los estados actuales de esta

interfaz, para que así cuando se ejecute las instrucciones de la programación, se tenga en

cuenta la lógica actual y se realice dicha programación.

2.1.20.3 Lectura y ejecución de las instrucciones del programa

La ejecución de las instrucciones del programa se realiza uno a uno según lo establecido

por el usuario, se toma en cuenta los estados iniciales de la interfaz de entrada, para que

así se ejecute las instrucciones de manera correcta y deseada.

2.1.20.4 Revisión de la interfaz de comunicación

Paralelamente, por medio de los registros de comunicación, se verifican los estados en que

se encuentran otros autómatas que intervienen en la misma red industrial.

2.1.20.5 Revisión a los registros de la interfaz de salida

Por cada ejecución de los registros, la interfaz de salida cambiará dependiendo de las

instrucciones previamente programadas. Todos los tiempos de barridos dependerán del

procesador que tenga integrado el autómata. Por ello también la clasificación de estos PLC.

2.1.21 Comunicación industrial

En el sistema de control y registro está comprendido por un PLC y comandado por una

estación PC en donde se encuentra diseñado el sistema SCADA, donde se visualiza la

producción y las variables del proceso. Para ello, es necesario implementar una

comunicación industrial. Existe muchos estándares de comunicación industrial, en la

presente investigación se trabajará con el bus de campo PROFINET, ya cumple con todas

las especificaciones para desarrollar la integración de dispositivos en el sistema SCADA.

47

A continuación, en la tabla 5 se muestra la comparación de utilidades de los sistemas de

comunicación. En la Figura 13, se muestra la topología del bus de campo PROFINET.

Tabla 5. Comparación de utilidades de los sistemas de comunicación

Comparación de utilidades de los sistemas de comunicación


48

En la Figura 13, se muestra la topología de bus de campo de la red PROFINET.

Figura 13. Topología de bus de campo PROFINET


2.1.22 SCADA

El término SCADA deriva de sus siglas en inglés: Supervisory Control And Data Acquisition,

que en español se conocen como Supervisión, control y Adquisición de Datos. Según

Rodríguez (2007), los sistemas SCADA proporcionan el control y gestión de cualquier

sistema local o remoto a través de una interfaz gráfica que transmite el estado de este, al

usuario. Este sistema admite la comunicación de los dispositivos de campo: controladores

industriales, autómatas programables, actuadores, etc.

Y así controlar la producción de manera automática desde una estación o pantalla, la cual

es configurada por el usuario y puede ser manipulada con simplicidad. Además, provee a

49

diversos usuarios la información que se registra en el proceso productivo. (Pérez López,

2015).

2.1.23 PID

Actualmente el control PID es el algoritmo más utilizado en las aplicaciones de la industria

(Ghanadan, 1990). Según formulación se detalla de la siguiente forma:

Ecuación 1. Formulación PID, Ogata (2010)

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 [𝑒(𝑡) +1

𝑇𝑖

∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝜏 + 𝑇𝑑

𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡

𝑡

0

]

Donde:

𝑢(𝑡) : Señal de control

𝑒(𝑡) : Señal de error

𝐾𝑝 : Ganancia proporcional

𝑇𝑖 : Tiempo integral

𝑇𝑑 : Tiempo derivativo

La señal de error es igual a la diferencia de la señal de referencia con la señal de salida:

𝒆(𝒕) = 𝒓(𝒕) − 𝒚(𝒕)

𝑟(𝑡) : Señal de referencia o “set-point”

𝑦(𝑡) : Señal de salida del proceso

2.1.24 Registrador de temperatura

En el mercado existe registradores de temperatura, conocidos como termo-registradores,

estos dispositivos registran las temperaturas de la variable del proceso de una manera

gráfica. Los termo-registradores más utilizados y comunes son de la marca Honeywell

(Honeywell, 2009).

50

2.1.25 Termo-registrador circular DR4300

Estos dispositivos se utilizan para registrar la temperatura en los sistemas de producción,

principalmente en los procesos de pasteurización. La forma de registrar los datos

necesarios como la temperatura, es de manera analógica, y este se grafica en todo

momento en una hoja de papel circular.

El movimiento de circular y el transporte del bolígrafo son realizadas por medio de motores

paso a paso controlados por un microprocesador. La velocidad del gráfico y el rango son

configurables, por ello incluye una pantalla y un teclado. Por medio de la pantalla se puede

visualizar el valor en tiempo real de la variable de proceso de forma numérica. En la Figura

14, se muestra el termo registrador circular de Honeywell.

Figura 14. Termo registrador circular de Honeywell

Fuente: (Honeywell, 2009)

Este registrador también admite el control PID y alarma para aquellos procesos que

requieren registro y control.

51

Este registrador tiene disponible con una opción de programa de punto de ajuste o

consigna, la cual permite el control del proceso mediante PID, asegurando que la

producción se encuentre dentro de los parámetros demandados por el mercado.

El problema actual de este registrador es la forma de guardar los datos, ya que lo hace de

manera análoga por medio de trazos en papel circular. Este papel está expuesto al

ambiente húmedo del pasteurizador y a pérdidas de información o registros. En la Figura

15 se evidencia una hoja de registro de papel circular.

Figura 15. Registro de papel circular

Fuente: Fuente: (Honeywell, 2009, p. 48)

52

Así mimos, las dimensiones del termo-registrador se aprecian en la Figura 16.

Figura 16. Dimensionamiento del termo-registrador Honeywell DR4300

Fuente: Fuente: (Honeywell, 2009, p. 15)

2.1.26 Producción de pulpa de fruta

Para la elaboración de pulpa de fruta, se tiene en consideración las siguientes etapas:

a) Desinfección y lavado

b) Control de Calidad

53

c) Cortado

d) Despulpadora - Finisher

e) Cloroficado

f) Pasteurizado

g) Enchaquetado

h) Envasado

i) Paletizado

j) Almacenado

2.1.27 Proceso de producción de pulpa de fruta

Todo el proceso de producción de pulpa de fruta inicia la etapa de desinfección y lavado.

Primero la materia prima es llenada en lavaderos rectangulares en donde mediante un

sistema de generación de ozono se lava y desinfecta las frutas sin perjudicarlos. Se utiliza

el agua ozonizada por los siguientes motivos importantes:

a) Desinfectar bien la superficie de las frutas.

b) Reducir la carga microbiológica en el agua reutilizada.

c) No se utiliza detergentes o productos químicos que perjudican a la materia prima.

d) Se cuida el medio ambiente.

e) Cumple con las normativas de inocuidad.

Luego de ser lavadas y desinfectadas las frutas, se transportan por bandas de cepillos para

descartar cualquier impureza que mantenga la superficie de la fruta, hacia la zona de

Control de calidad en donde se seleccionan de manera manual las frutas buenas de las

malas, en esta sección la banda transportadora es de rodillos, permitiendo que la fruta

avance rotando para que así se pueda identificar cuales están en mal estado. Esta banda

de rodillos permite observar de todos los ángulos a las frutas por el efecto de rotación. Las

frutas que se encuentran en mal estado son descartadas, esto vendría a ser la primera

merma del proceso.

54

Una vez seleccionadas, estas son transportadas y almacenadas en silos de hasta 50

toneladas, para que posteriormente se transporten a la etapa de cortado.

La máquina cortadora tiene dos principales funciones, la de cortar en rebanadas la fruta y

separar la pepa. Esto se logra mediante una despulpadora de fruta o conocido en la

industria de alimentos como finisher, Esta maquinaria en dos fases, permite la expulsión

de la pulpa gruesa y el afinado del jugo mediante un mecanismo de paletas a gran

velocidad y su regulación en la fase de extracción. Las paletas instaladas en su interior

giran a gran velocidad y hacen pasar el producto por una capa acero inoxidable perforada

para conseguir el resultado deseado.

Luego, teniendo el material sin impurezas, se transporta por tuberías hacia los tanques

Agitadores en donde se homogeniza la pulpa.

Luego que la pulpa está homogenizada, esta pasa al sistema de pasteurización, es aquí

en donde se desarrolla la presente tesis.

2.1.28 Pasteurización

El proceso de pasteurización es muy común en la industria alimentaria, pues este busca

eliminar las bacterias y microrganismos en los productos que son procesados. Según

Landíres (2011):

“La pasteurización es un tratamiento térmico relativamente suave (temperaturas generalmente inferiores a 100ºC), que se utiliza para prolongar la vida útil de los alimentos durante varios días. Este método, conserva los alimentos por inactivación de sus enzimas y la destrucción de los microorganismos relativamente termosensibles (por ejemplo: mohos particularmente en la mayoría de las frutas).”

Y como mencionan Villalva López y Echeverría Vecilla, (2012):

“El proceso de calentamiento recibe el nombre de su descubridor, el científico-químico francés Louis Pasteur (1822-1895). La primera pasteurización fue realizada el 20 de abril de 1864 por el mismo Pasteur y su colega Claude Bernard.”

Entonces se define pasteurización como un tratamiento térmico para eliminar diferentes

bacterias que presenta la materia prima, y así prolongar el estado del producto final, lo cual

55

asegura su comercialización. Por ello la pasteurización es un proceso fundamental para la

producción de alimentos líquidos.

El control automatizado de la presente tesis se basa en el sistema de pasteurizado ya que,

en este punto, dependiendo de la calidad del producto y factores que intervienen en él, se

certifica el producto como alimento final, listo para llevarlo al mercado y ser consumido.

2.1.29 Producción sin registrador de temperatura

La producción sin registrador de temperatura no genera confiabilidad del producto final. Por

ello las empresas dedicadas al rubro de la producción y exportación de pulpa de fruta,

tienen el problema de certificarse.

Las importancias de los registros de la producción en línea son necesarias, generan un

valor agregado al producto final.

2.1.30 Producción con registrador de temperatura

Cuando el sistema de producción es automatizado y cuenta con un registrador de variables

indispensables para la elaboración del producto, este genera beneficios para la empresa,

tanto en producción como en ventas. En producción porque el sistema es automático e

interactúa dependiendo de las variables del proceso, por medio de controladores y un

sistema SCADA para la supervisión y registro de la producción, esto asegura que el

operador no manipule directamente el proceso y/o el producto, por lo tanto, se cuenta con

cuidados inocuos en el producto, y seguridad de accidentes o incidentes que puedan ocurrir

a los operadores. En ventas se beneficia la empresa, porque el producto mediante un

sistema de correcto registro de su estado cuando es procesado garantiza las propiedades

y demandas que tiene el mercado ante la pulpa de fruta, esto sumado a la posible

certificación de calidad por contar con los correctos procedimientos y registros del alimento

final.

56

CAPITULO 3

DESARROLLO DE LA SOLUCION

3.1 Tipo de investigación

Se realiza una investigación tecnológica de diseño experimental con el objeto de realizar

mejoras en los sistemas de control, supervisión y registro de la temperatura en los procesos

de pasteurización, para así observar y analizar el comportamiento de la producción y

conocer los impactos en la calidad de los alimentos líquidos, en el sector agroindustrial.

Para ello, se investiga sobre los registradores actuales que la industria alimenticia utiliza, y

a partir de ellos, se mejora los procesos de registro y control con el diseño de un sistema

automatizado que integra el control y registro, mediante un sistema SCADA, el cual guarda

las variables necesarias para la certificación en archivos EXCEL, y permite un análisis de

datos con la información real en el momento de la pasteurización.

3.2 Metodología propuesta

En el desarrollo de esta investigación se utiliza la guía de los fundamentos para la dirección

de proyectos (A Guide to the Project Management Body of Knowledge - PMBOK), pues

este facilita la elaboración del diseño del sistema automatizado para la supervisión, control

y registro de temperatura, ya que esta guía plantea un enfoque coherente basado en

procesos.

57

Esta guía está basada en El Estándar para la Dirección de Proyectos, un estándar del

Instituto Nacional de Normalización de los Estados Unidos (ANSI), la cual establece una

alusión en los programas de desarrollo de proyectos del PMI.

Son 49 los procesos que se describen la versión 6.0 del PMBOK para el desarrollo del

proyecto, los cuales están clasificados en 10 áreas de conocimiento: Integración Alcance,

Tiempo, Costos, Calidad, Recursos, Comunicación, Riesgos, Adquisiciones e interesados,

y 5 grupos de procesos: Inicio, Planificación, Ejecución, Monitoreo y control y Cierre. Ver

Anexo 9. Basado en estos fundamentos, se estructura el siguiente diagrama de flujo para

el diseño del sistema automatizado de control y registro de la temperatura:

Figura 17. PMBOK Diseño sistema de control y registro de la temperatura.


Integración

• Desarrolla el Plan de trabajo

• Gestiona el conocimiento del Proyecto

Alcance

• Se crea la estructura de descomposición de Trabajo (EDT)

Cronograma

• Planificar y gestionar el cronograma de la programación del PLC y diseño del SCADA.

Costos

• Estimación de Costos en PLC para pruebas y Software

Calidad

• Gestionar la calidad del Sistema de control, con alto índice de robustez.

Recursos

• Estimar los recursos como Laptop, PLC, Disco Sólido, Software, Cable de comunicación Ethernet.

Comunicaciones

• Gestionar las comunicaciones con empresas agroindustriales del sector exportador.

• Monitorear comunicaciones.

Riesgos

• Realizar análisis de riesgos, pérdidas de datos almacenados.

• Implementar sistemas robustos de almacenamiento de datos.

Adquisiciones

• Planificar las adquisiones, el sistema automatizado, Reportes.

Interesados

• Planificar el involucramiento del sector alimenticio, gestionar participación.

58

En este capítulo se desarrolla todo el diseño del sistema SCADA, con la programación del

PLC, diseño, simulaciones y generación de registros. Para ello se utiliza un PLC S7-1200

1214C AC/DC/RLY de la marca SIEMENS, un sensor de temperatura PT-100 REISSMANN

con su transmisor de 0 a 10 voltios, una válvula electrohidráulica SKB de paso 3 vías

SIEMENS. Un computador con Windows Server 2003 Standard Edition, y Comunicación

PROFINET para la integración HMI-PLC del sistema SCADA.

3.3 Análisis del sistema actual

3.3.1 Control del sistema actual

El diseño del control del sistema actual está representado de acuerdo con siguiente modelo

del proceso de pasteurizado, mostrado en la Figura 18, donde el termo-registrador es un

elemento independiente del sistema de control.

Figura 18. Diagrama de flujo del proceso – PFD


Registro de la temperatura en el proceso actual

El sistema actual utiliza un termo registrador circular Honeywell para el registro de la

variable de temperatura en el proceso de pasteurización, donde los registros analógicos se

realizan mediante hojas de papel circular, como se muestra en la Figura 19.

59

Figura 19. Registro del termo-registrador en papel circular


Para el diseño del controlador PID de la nueva propuesta, se requiere el modelado

matemático de la planta actual de pasteurizado. Para ello, es necesario partir desde el

modelado topológico, luego desarrollar el modelado físico y finalmente obtener la función

de transferencia de la planta por medio del modelado matemático.

A continuación, se desarrolla el modelado de la planta de pasteurizador.

60

3.3.1.1 Modelado topológico de control del sistema actual

En primer lugar, para realizar el análisis del sistema de pasteurización y diseñar el

controlador, se modelará la topología del sistema actual. Para ello se plantea el ingreso de

dos variables: vapor y producto, y en la salida del sistema topológico se tiene vapor

condensado y producto pasteurizado. Esto se visualiza en la Figura 20, en donde el sistema

topológico se representa mediante bloques.

Figura 20. Modelado topológico del sistema


3.3.1.2 Modelado físico del sistema actual

A partir del modelo topológico, se realiza el modelado físico. Esta representación se define

por variables adaptadas al sistema, como se muestra en la Figura 21.

Figura 21. Modelado físico del sistema


61

En donde:

Valor Unidad Descripción

E(s) V Voltaje de set-point

Er(s) V Voltaje de entrada a la electroválvula

Θ(s) Θ Ángulo de apertura de la electroválvula

K Constante Constante proporcional entre en ángulo y caudal

Q(s) m3/s Caudal

T(s) °C Señal de temperatura

Eh(s) V Voltaje de salida del sensor

3.3.1.3 Modelado matemático del sistema actual

El modelamiento matemático forma la base de la descripción del sistema, estos datos se

obtienen a partir del modelo físico.

Modelo de la electroválvula gobernada por un servomotor:

Para el modelado de la electroválvula, se toma de referencia un sistema de servomotor ya

que el comportamiento del actuador del sistema es igual a la válvula proporcional utilizada

en la presente investigación.

Figura 22. Diagrama de un servo sistema

Fuente: (Ogata, 2010, p. 95)

62

Figura 23. Diagrama de bloques de un servo sistema


Cuando se mantiene en un flujo constante, el voltaje inducido es directamente proporcional

a la velocidad angular, es decir:

Ecuación 2. Fuerza electromotriz, Ogata (2010)

ℯ𝑏 = 𝐾3

𝑑𝜃

𝑑𝑡

En donde:

ℯ𝑏 : Fuerza electromotriz.

𝐾3 : Constante de la fuerza contraelectromotriz del motor.

𝜃 : Desplazamiento angular del eje del motor.

Se tiene en cuenta que la velocidad de un servomotor de corriente continua es controlada

por la tensión del inducido ℯ𝑎. Esta tensión se relaciona en 𝐾1ℯ𝜈 que vendría a ser la salida

del amplificador. Se plantea la siguiente ecuación diferencial del modelo del inducido:

Ecuación 3. Ecuación diferencial para el circuito inducido, Ogata (2010)

L𝑎

𝑑𝑖𝑎

𝑑𝑡+ 𝑅𝑎𝑖𝑎 + ℯ𝑏 = ℯ𝑎

Ecuación 4. Ecuación de equilibrio par, Ogata (2010)

J0

𝑑2𝜃

𝑑𝑡2 + 𝑏0

𝑑𝜃

𝑑𝑡= 𝐾2𝑖𝑎

63

En donde:

J0 : Inercia de la combinación del motor

𝑏0 : Coeficiente de fricción viscosa

De la Ecuación 2, Ecuación 3 y Ecuación 4, se obtiene:

Ecuación 5. Relación circuito inducido y equilibrio par, Ogata (2010)

𝜃(𝑠)

𝐸𝜐(𝑠)=

𝐾1 𝐾2

𝑠(𝐿𝑎𝑠 + 𝑅𝑎)(𝐽0𝑠 + 𝑏0) + 𝐾2𝐾3𝑠

El eje de la salida gira 𝑛 veces en cada revolución del eje del motor.

Ecuación 6. Razón de engranajes del tren de engranajes, Ogata (2010)

𝐶(𝑠) = 𝑛𝜃(𝑠)

Entonces, a partir del diagrama de bloques y las ecuaciones, se tiene lo siguiente:

Ecuación 7. Función de transferencia GA(s) del servomotor

𝐺𝐴(𝑠) =𝐾0𝐾1 𝐾2𝑛

𝑠[𝑅𝑎(𝐽0𝑠 + 𝑏0) + 𝐾2𝐾3]=

𝐾0𝐾1𝐾2𝑛/𝑅𝑎

𝐽0𝑠2 + (𝑏0 +𝐾2𝐾3

𝑅𝑎) 𝑠

En donde:

𝑏0 + 𝐾2𝐾3 𝑅𝑎⁄ : Coeficiente de fricción

𝐽0 : Inercia

𝐽 = 𝐽0 𝑛2⁄ : Momento de inercia referido a la salida del eje

𝐵 = [𝑏0 + 𝐾2𝐾3 𝑅𝑎⁄ ] 𝑛2⁄ : Coeficiente de fricción viscosa referido a la salida del eje

𝐾 = 𝐾0𝐾1𝐾2 𝑛𝑅𝑎⁄

64

Ecuación 8. Función de transferencia G(s) simplificada

𝐺𝐴(𝑠) =𝐾

𝐽𝑠2 + 𝐵𝑠

Figura 24. Diagrama de bloque del servo sistema simplificado


Modelo del intercambiador de calor: planta pasteurizadora

Físicamente los sistemas térmicos se representan por la siguiente función:

Ecuación 9. Función de transferencia para sistemas térmicos, Ogata (2010)

𝐶(𝑠)

𝑅(𝑠)=

1

𝑇𝑠 + 1

Figura 25. Diagrama de bloque del sistema primer orden


Para el modelamiento matemático del sistema de pasteurizado, se referencia la función de

transferencia de primer orden para sistemas térmicos (Ogata, 2010), y este se multiplica

por una ganancia Ks para la semejanza al sistema propuesto.

La ganancia Ks, está determinado por la Ecuación 10.

65

Ecuación 10. Ganancia Ks relación temperatura / voltaje

𝐾𝑠 =𝑇𝑝

𝑉𝑠

En donde:

𝑇𝑝 : Temperatura del proceso

𝑉𝑠 : Voltaje del sensor - proceso

De la Ecuación 9 y Ecuación 10, se tiene lo siguiente:

Ecuación 11. Función de transferencia del sistema pasteurizado con ganancia K

𝐺𝑃(𝑠) =𝐾𝑠

𝑇𝑠 + 1

Figura 26. Diagrama de bloque del sistema de pasteurizado


Modelo de la constante proporcional K:

La constante proporcional KH de la Figura 21, muestra la relación de ángulo de apertura y

caudal, el cual para este sistema es proporcional, se considera KH igual a 1.

66

Modelo del sensor:

Según las especificaciones técnicas del sensor, se tiene lo siguiente:

Figura 27. Curva de desviación permitida del sensor TP100


Ecuación 12. Constante del sensor TP100

𝐺𝑠 (𝑠) =1

200

Entonces, del modelamiento físico, se obtiene la siguiente representación matemática del

sistema pasteurizado:

Ecuación 13. Multiplicación de funciones de transferencia

𝐺𝑃𝑆(𝑠) = [𝐺𝐴(𝑠)][𝐺𝑠(𝑠)][𝐺𝑃(𝑠)]

Ecuación 14. Función de transferencia del sistema pasteurizado

𝐺𝑃𝑆(𝑠) = (𝐾

𝐽𝑠2 + 𝐵𝑠) (1) (

𝐾𝑠

𝑇𝑠 + 1)

67

Con los datos técnicos para el sistema propuesto, tenemos lo siguiente:

Para el sistema GA(s): Se obtienen de los datos técnicos del motor de la electroválvula.

K : 0.01

J : 0.01

B : 0.1

Para el sistema GP(s): la relación Ks está gobernada por la relación de 10 voltios cuando

el sistema está a 92 grados centígrados de forma experimental.

Ks : 92/10 = 9.2

Para T, se tiene en cuenta el tiempo cuando el sistema llega a 92 grados centígrados de

forma experimental.

Ecuación 15. Relación de respuesta a una rampa unitaria de un sistema de primer orden

4𝑇 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛 2%

Para un establecimiento en el segundo 650 (según datos experimentales):

𝑇 = 162.5

Se reemplaza los valores técnicos a la Ecuación 14:

𝐺𝑃𝑆(𝑠) = (0.01

0.01𝑠2 + 0.1𝑠) (1) (

0.056615

𝑠 + 0.006154)

Ecuación 16. Función de transferencia de 3 orden

𝐺𝑃𝑆(𝑠) = (0.000566153

0.01𝑠3 + 0.100061538𝑠2 + 0.000615384𝑠)

Aplicando la retroalimentación del sensor: 𝐺𝑠 (𝑠) = 0.005, se tiene la siguiente función de

transferencia:

68

Ecuación 17. Función de transferencia retroalimentada

𝐺𝑃𝑆𝐹(𝑠) = (0.000566153

0.01𝑠3 + 0.100061538𝑠2 + 0.000615384𝑠 + 0.0000028308)

Figura 28. Comportamiento de la función de transferencia del proceso


Polos dominantes:

La función de transferencia retroalimentada (Ecuación 17), es de tercer orden, por lo cual,

se aplica el teorema de polos dominantes (Ogata, 2010). Para esto, se utiliza la función

PZAMP en MATLAB.

0 500 1000 1500 2000 25000

50

100

150

200

250Step Response

Time (seconds)

Am

plit

ude

69

Figura 29. Polos dominantes


Como se observa, en la Figura 29 se presenta 3 polos, el cual uno de ellos se encuentra

10 veces el valor del polo más cercano de la izquierda.

Según el teorema de polos dominantes de Ogata, para no considerar un polo, este deberá

ser mínimo 6 veces mayor o alejado a un polo cercano. De las especificaciones se deducen

los valores de los tres polos de lazo cerrado (dos polos dominantes) como:

Ecuación 18. Consideraciones para polos dominantes

𝑀𝑃(%) = 100𝑒

𝜋𝜁

√1−𝜁2 : Sobre impulso

𝑡𝑠(5%) =3

𝜁𝜔𝑛= 𝜎 : Tiempo de establecimiento

𝜔 = 𝜔𝑛√1 − 𝜁2 : Frecuencia de oscilación amortiguada

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5x 10

-3

111111

1

1

111111

1

1

24681012

Pole-Zero Map

Real Axis (seconds-1)

Imagin

ary

Axis

(seconds

-1)

70

Entonces las raíces de lazo cerrado que se pueden elegir para el sistema son:

𝑠 = −𝜎 ± 𝑗𝜔 ; 𝑠 = 6(−𝜎)

Con los datos obtenidos de la Figura 28, se considera los siguientes valores:

Figura 30. Mp - Overshoot(%) de la función de transferencia


De la Figura 30, se tiene el 𝑀𝑃(%) = 10.8

71

Figura 31. Ts – settling time(s) de la función de transferencia


De la Figura 31, se tiene el 𝑡𝑠 = 1110𝑠

Se considera el sistema en lazo cerrado definido por:

Ecuación 19. Sistema en lazo cerrado, Ogata (2010)

𝐶(𝑠)

𝑅(𝑠)=

𝜔𝑛2

𝑠2 + 2𝜁𝜔𝑛𝑠 + 𝜔𝑛2

72

Con las ecuaciones (Ecuación 18), y con las figuras (Figura 30 y Figura 31) se obtiene:

𝑀𝑃(%) = 100𝑒

𝜋𝜁

√1−𝜁2

10.8 = 100𝑒

𝜋𝜁

√1−𝜁2

0.108 = 𝑒

𝜋𝜁

√1−𝜁2

ln(0.108) = ln (𝑒

𝜋𝜁

√1−𝜁2 )

−2.225624 =𝜋𝜁

√1 − 𝜁2

𝜁2 = 0.334169

𝜻 = 𝟎. 𝟓𝟕𝟖𝟏

𝑡𝑠(5%) =3

𝜁𝜔𝑛

1110 =3

(0.5781)𝜔𝑛

𝝎𝒏 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒𝟔𝟕𝟓

Por ganancia de la planta, se considera la Ecuación 19, como:

𝐶(𝑠)

𝑅(𝑠)=

𝜔𝑛

𝑠2 + 2𝜁𝜔𝑛𝑠 + 𝜔𝑛2

Entonces, la nueva función de transferencia de dos polos tiene la siguiente forma:

Ecuación 20. Función de transferencia del sistema con reducción a dos polos

𝐺𝑃𝑆𝑅(𝑠) = (0.004675

𝑠2 + 0.005405404𝑠 + 0.000021858)

73

En la Figura 32, se aprecia el comportamiento de la planta de pasteurizado con reducción

de polos, el cual se utiliza para el diseño del controlador:

Figura 32. Función de transferencia del sistema con reducción a dos polos


0 500 1000 1500 2000 25000

20

40

60

80

100

120

140Step Response

Time (seconds)

Am

plit

ude

74

3.4 Análisis del control de la nueva propuesta: Diseño del controlador PID

Para el diseño del controlador se toma como referencia la función de transferencia obtenida

del análisis y modelamiento matemático de la planta de pasteurización. A continuación, se

muestra la estructura de control del sistema de pasteurización con controlador PID, esto

para hallar las ganancias ideales para el control del sistema.

Figura 33. Sistema de pasteurizado con control PID


El controlador está determinado por la Ecuación 21:

Ecuación 21. Función de transferencia del controlador PID

𝐺𝐶 = 𝐾𝑃 + 𝐾𝐼

1

𝑠+ 𝐾𝐷𝑠 =

𝐾𝑃𝑠 + 𝐾𝐼 + 𝐾𝐷𝑠2

𝑠

Entonces de la Figura 33, se determina el sistema de lazo cerrado con control PID:

𝑌𝑠

𝑅𝑠= [𝐺𝐶(𝑠)][𝐺𝑃𝑆𝑅(𝑠)]

𝑌𝑠

𝑅𝑠= (

𝐾𝑃𝑠 + 𝐾𝐼 + 𝐾𝐷𝑠2

𝑠)(

0.004675

𝑠2 + 0.005405404𝑠 + 0.000021858)

El desarrollo se expresa en la Ecuación 22:

Ecuación 22.Función de transferencia de la planta controlada con PID

𝑌𝑠

𝑅𝑠=

0.004675(𝐾𝑃𝑠 + 𝐾𝐼 + 𝐾𝐷𝑠2)

𝑠3 + (0.004675𝐾𝐷 + 0.005405404)𝑠2 + (0.004675𝐾𝑃 + 0.000021858)𝑠 + 0.004675𝐾𝐼

75

Para hallar las ganancias, se plantea los siguientes parámetros ideales:

𝑇𝑠𝑖 = 150 : Tiempo establecimiento ideal

𝑀𝑃𝑖 = 9.48% : Sobre impulso ideal

𝜁 = 0.6

𝜔𝑛 = 0.033

𝜔 = 0.0264

𝜁𝜔𝑛 = 0.0199

Los polos con estas características ideales son:

𝑠 = −0.0199 ± 0.0264𝑗

𝑠 = −0.12

El polinomio característico de lazo cerrado del sistema de pasteurización se expresa de la

siguiente manera:

Ecuación 23. Polinomio característico del sistema ideal controlado

𝑃(𝑠) = (𝑠2 + 0.03999𝑠 + 0.001089)(𝑠 + 0.12)

𝑃(𝑠) = 𝑠3 + 0.15999𝑠2 + 0.0058878𝑠 + 0.00013068

Por último, se iguala los coeficientes de los polinomios característicos deseados 𝑃(𝑠) con

los coeficientes del sistema de lazo cerrado (Ecuación 22).

𝑠3 + 0.15999𝑠2 + 0.0058878𝑠 + 0.00013068 = 0

𝑠3 + (0.004675𝐾𝐷 + 0.005405404)𝑠2 + (0.004675𝐾𝑃 + 0.000021858)𝑠 + 0.004675𝐾𝐼 = 0

76

Ganancia 𝐾𝐷:

0.15999𝑠2 = (0.004675𝐾𝐷 + 0.005405404)𝑠2

𝐾𝐷 =0.154584596

0.004675

𝐾𝐷 = 33.0662

Ganancia 𝐾𝑃:

0.0058878𝑠 = (0.004675𝐾𝑃 + 0.000021858)𝑠

𝐾𝑃 =0.00585942

0.004675

𝐾𝑃 = 0.79697

Ganancia 𝐾𝐼:

0.00013068 = 0.004675𝐾𝐼

𝐾𝐼 =0.00013068

0.004675

𝐾𝐼 = 0.027952

77

Se utiliza la herramienta de SIMULINK de MATLAB, para graficar el comportamiento

mediante bloques:

Figura 34. Diagrama de bloques función reducida a segundo orden


El resultado de la planta sin control se evidencia en la Figura 35, donde se muestra el

comportamiento del sistema de pasterización sin controlador:

Figura 35. Curva representativa de la planta

Fuente: Elaboración propia (ubicarlo en el sistema actual)

78

Con las ganancias determinadas por el diseño del controlador, se grafica el

comportamiento del sistema de pasteurizado con control PID.

En SIMULINK de Matlab se ingresa los valores determinados, como se observa en la Figura

36:

Figura 36.Diagrama de bloques de función reducida a segundo orden con PID


En la Figura 37 se visualiza el comportamiento del modelado matemático de segundo

orden de la planta de pasteurizado.

Figura 37. Curva característica de la función reducida a segundo orden con control PID


79

Con los resultados obtenidos del diseño del controlador, se compara con las dos funciones

de transferencia de segundo y tercer orden de la planta, y así observar el comportamiento

del sistema de pasteurizado con control PID. El comportamiento se muestra en la Figura

38:

Figura 38. Curva de las funciones de transferencia de segundo y tercer orden


3.4.1 Diagrama P&ID del sistema propuesto

En la Figura 39 se muestra el diagrama de instrumentación y tuberías del sistema de

pasteurización propuesto en la presente tesis.

Figura 39. P&ID del sistema de pasteurización


80

3.4.2 Diagrama instrumental del sistema propuesto

A continuación, se muestra el diagrama de conexión del PLC:

Figura 40. Conexión del PLC


81

3.4.3 Programación del sistema propuesto

La programación del PLC se realiza en el software TIA Portal de SIEMENS AG V14. La

lógica propuesta y diseñada mantiene el siguiente flujo:

Figura 41. Diagrama de flujo del control y registro del sistema de pasteurizado


Para ello se agrega primero un controlador: SIMATIC S7-1200, CPU:6ES7 214-1BG40-

0XB0 de la versión V4.0, ya que este controlador cuenta con características completas

para el objetivo planteado. Este controlado es seleccionado en la Tabla 10.

Figura 42. Selección del PLC Siemens

Fuente: Elaboración propia.

82

En la interfaz PROFINET, se configura las direcciones ETHERNET:

a. Dirección IP: 192.168.0.30

b. Máscara subred: 255.255.255.0

Figura 43. Ajuste de la dirección IP en la interfaz PROFINET


Configuración de variables del PLC:

ENTRADA

a. Entrada analógica: CANAL

b. Tipo de datos: INT

c. Dirección: IW66 (entradas analógicas por defecto. Direcciones: IW64 y IW66)

SALIDA

a. Salida digital: Tag_1

b. Tipo de datos: Bool

c. Dirección: Q0.0 (Primera salida del PLC)

Figura 44. Creación de variables en el PLC


83

ESCALAMIENTO DE DATOS

Una vez creada las variables, se agrega un bloque: FUNCION.

a. Bloque: TT01

b. Lenguaje: KOP (esquema de contactos)

Figura 45. Creación bloque FUNCION


En la base de datos generados para una entrada analógica: DB1 “TT01”, se configura lo

siguiente, para la lectura de los datos analógicos:

a. INPUT: CANAL (dirección IW66)

b. Lim_Min: 0.0 (límite mínimo: Temperatura mínima del transmisor)

c. Lim_Max: 100.0 (límite mínimo: Temperatura máxima del transmisor)

d. Alarma_HH: 95.0 (alarma alto alto, se configura desde la interfaz del SCADA)

e. Alarma_H: 90.0 (alarma alto, se configura desde la interfaz del SCADA)

f. Alarma_L: 15.0 (alarma bajo, se configura desde la interfaz del SCADA)

g. Alarma_LL: 10.0 (alarma bajo bajo, se configura desde la interfaz del SCADA)

84

Figura 46. Configuración del bloque FUNCION, BD TT01


Después, se agrega un BLOQUE DE FUNCION, para el escalamiento de estos datos:

Figura 47. Bloque de función: SCALE


85

Para el escalamiento de datos analógicos, tener en cuenta la Figura 48:

Figura 48. Escalamiento lineal


Las señales analógicas están escaladas por defecto entre 0 hasta 27648, valores

establecidos por Siemens, como se muestran en la Tabla 6.

Tabla 6. Escalamiento de datos analógicos PLC

Escalamiento de datos analógicos PLC

Valor de Temperatura del

transmisor

Valor de voltaje entregado

por el transmisor

Valor número de lectura

del PLC

0 °C 0.0 V 0

10 °C 1.0 V 2765

20 °C 2.0 V 5530

25 °C 2.5 V 6912

30 °C 3.0 V 8294

40 °C 4.0 V 11059

50 °C 5.0 V 13824

60 °C 6.0 V 16589

70 °C 7.0 V 19354

75 °C 7.5 V 20736

80 °C 8.0 V 22118

90 °C 9.0 V 24883

100 °C 10.0 V 27648


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2765 5530 8294 11059 13824 16589 19354 22118 24883 27648

Tem

per

atu

ra °

C

Valor

Escalamiento Lineal

86

La medición de estos datos son lineales, por lo tanto, el valor de lectura del PLC se tiene

mediante la siguiente formulación:

Ecuación 24. Interpolación de datos analógicos temperatura a número.

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 (#𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡) =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑜(27648)

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎(100°𝐶)× 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎(𝑋°𝐶)

Ecuación 25. Interpolación de datos analógicos PLC.

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 (#𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡) = 276.48 × (𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑋°𝐶)

Figura 49. Segmento escalamiento de datos analógicos


87

Diseño del PID

Las ganancias determinadas en el análisis y modelado matemático del diseño del

controlador PID, se ingresan como variables de ganancias proporcional, tiempo integral y

tiempo derivativo, al PLC.

Los PLC siemens de esta familia 1200, tienen integrado los bloques de PID, por lo tanto,

facilita la programación del sistema de control. Se agrega el BLOQUE DE

ORGANIZACIÓN: CYCLE INTERRUPT.

Figura 50. Bloque de organización: Cycle Interrupt


88

Se agrega un bloque Organizacional:

Figura 51. Bloque de programa Cycle Interrupt


Se selecciona el BLOQUE PID_COMPACT:

Figura 52. Bloque de programa Cycle Interrupt: PID_Compact


89

Se cambia de nombre del Bloque a TIC01:

Figura 53. Bloque de programa Cycle Interrupt: PID_Compact BD: TIC01


Se tiene lo siguiente:

Figura 54. Bloque PID_Compact: TIC01


90

Para las pruebas de datos, se configura la señal de entrada del bloque FUNCION TT01,

de IW64 a MW10 (Marca de datos).

Figura 55. Marca de datos para prueba de valores


Al CANAL, entrada de datos del Bloque (INPUT), seleccionamos Forzar operando:

Figura 56. Forzar datos de prueba


91

Se ingresa el valor 16824:

Figura 57. Dato forzado 16824


Según la Ecuación 25:

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 (#𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡) = 276.48 × (𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑋°𝐶)

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑(𝑋°𝐶) =𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 (#𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡)

276.48

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑(𝑋°𝐶) =16824

276.48

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑(𝑋°𝐶) = 60.85069°∁

Figura 58. Dato forzado 16824 a 60°C


92

Programación de la secuencia lógica de control:

La secuencia lógica de control determina mediante operaciones lógicas y datos obtenidos

y procesados por el sensor de temperatura, el estado del fluido pasteurizado. La lógica de

control asegura el correcto procesado de los alimentos. Para ello, se crea el bloque

FUNCION, con nombre SECUENCIA, para establecer la lógica de activación y

desactivación de la válvula de 3 vías que permite la recirculación de los fluidos en el

proceso de pasteurización.

Figura 59. Bloque FUNCION: Secuencia


Se evalúa el valor de la lectura del transmisor (Bloque: Función TT01), las comparaciones

se realizan con los valores asignados en: Alarma_L y Alarma_H, las cuales se configura

desde la interfaz SCADA.

Como respuesta se tiene la activación de la salida: Q0.0 del PLC, el cual está conectado a

la válvula de 3 vías, por lo tanto, este se encarga de la circulación y recirculación del fluido.

93

La Secuencia de la lógica del control se muestra en la Figura 60.

Figura 60. Diagrama LADDER de la secuencia


Por último, se tiene los siguientes segmentos en el MAIN del proyecto:

Figura 61. MAIN del Proyecto


Las configuraciones de la programación del PLC se encuentran detalladas en el ANEXO I.

94

3.4.4 SCADA

El diseño del sistema SCADA, se realizó en el software WINCC EXPLORER de SIEMENS,

en donde se muestra 3 vistas:

Vista proceso:

En esta vista se muestra el proceso en tiempo real, se visualiza el comportamiento de la

variable del proceso de temperatura, referencias, límites y salida del control; también se

muestra la activación y desactivación de la válvula de 3 vías para la recirculación del

producto pasteurizado.

Se configura la vinculación de variables del PLC y SCADA respecto al Proceso:

Figura 62. Configuración de variables PLC al ONLINE TREND CONTROL Proceso


Diseña el Diagrama del PROCESO:

Figura 63. Diseño del proceso de pasteurización


95

Vista PID:

En esta vista se muestra los parámetros y ganancias del control PID, también es aquí en

donde se asigna si el proceso será manual o automático (ver ANEXO V).

Se configura las variables a utilizar para la sintonización de variables del control PID:

Figura 64. Sintonización de variables PID SCADA


Estas variables son:

• Ganancia Proporcional

• Tiempo Integral

• Tiempo Derivativo

Vista Reportes:

En esta vista se muestra el comportamiento del proceso en tiempo real y es aquí en donde

se asigna rangos de fecha y hora para la exportación de datos del proceso en históricos,

mediante una hoja de cálculo EXCEL (Ver ANEXO VI).

Los reportes se generan de los datos que se van registrando cada 5 segundos.

96

Figura 65. ONLINE TABLE CONTROL Reporte


97

3.4.5 Criterios de selección

3.4.5.1 Selección de del sensor

Para la selección de los instrumentos y herramientas como sensores, actuadores, y

controladores, se realizaron tablas comparativas entre diferentes marcas y modelos.

A continuación, las tablas comparativas de los instrumentos.

Para la elección del sensor de temperatura, se tiene en consideración la Tabla 7.

Tabla 7. Selección del sensor de temperatura

Selección del sensor de temperatura

CARACTERISTICA RTD TERMOPAR TERMOPAR

Tipo PT100 J K

Rango de medición -200 a 850°C -40 a 1,100°C -40 a 1,100°C

Error ±0.5°C ±1.5°C ±1.5°C

Material Platino Hierro Cromel

Imagen


Se opta por un sensor de temperatura RTD PT100, porque el error es menor a diferencia

de otros sensores de TERMOPAR. En la Figura 7 se muestra el sensor TP100. Además,

por ser de material platino, el material es duradero ante la oxidación, ya que el sensor

estará expuesto a fluidos viscosos.

98

3.4.5.2 Selección de la válvula de 3 vías

Para la selección del actuador de tres vías, se considera la siguiente Tabla 8.

Tabla 8. Selección del actuador 3 vías

Selección del actuador 3 vías

CARACTERISTICA SIEMENS FESTO BVALVE

Tipo SKB VZBM KFM

Presión PN16 DIN15 DIN16

Temperatura -25 a 130°C -10 a 200°C -10 a 120°C

Control Motorizada Mecánica Motorizada

Imagen


Se opta por la válvula SIEMENS SKB 3 vías, porque la temperatura de pasteurizado oscina

entre 0°C hasta 100°C. Y las otras válvulas están sobre dimensionadas, los cuales no es

conveniente por temas de costos. En la Figura 9 se muestra la válvula 3 vías SKB de

Siemens.

99

3.4.5.3 Selección de electroválvula

Para la selección de la electroválvula se compara diferentes electroválvulas por control

diferencial con aperturas de 0 a 100%, en la Tabla 9.

Tabla 9. Selección de la electroválvula

Selección de la electroválvula

CARACTERISTICA SIEMENS ASCO RF VALVES

Tipo SKD 62 ASCO NTP RF ELECTRIC

Temperatura -25 a 150°C -10 a 145°C -10 a 120°C

Presión 16 bar 4 bar 20 bar

Control 0 a 10 V

4 a 20 mA 0 a 1000 Ω

4 a 20 mA 4 a 20 mA

Imagen


Se opta por la electroválvula RF VALVES ELECTRIC, por tener un accionamiento por

servomotor, soportar una presión de trabajo hasta 20 bares, y tener un comportamiento de

apertura mostrada en la Figura 66.

Figura 66. Curva representativa del control de la electroválvula

Fuente: (RF VALVES, 2015)

100

3.4.5.4 Selección del PLC

Para la selección del controlador lógico programable, se considera la siguiente Tabla 10.

Tabla 10. Selección del PLC

Selección del PLC

CARACTERISTICA SIEMENS SCHNEIDER ABB

Tipo S7-1200 + SB1232 MODICON M221

CE16R AC500-eCo PM564-TP

Entrada Digital 14 9 6

Entrada Analógica 2 2 2

Salida Digital 10 7 6

Salida Analógica 1 0 1

Comunicación ETHERNET ETHERNET ETHERNET

Imagen


Se opta por el PLC SIEMENS S7-1200 porque es necesario al menos 1 entrada analógica,

1 salida digital, 1 salida analógica, más comunicación ETHERNET y además el software

utilizado es WINCC EXPLORER, el cual es compatible y de fácil configuración para

periféricos de la marca SIEMENS. También este PLC, es comercial en la región, lo que

significa una rápida atención al cliente en caso se necesite. En la Figura 11 se muestra el

PLC SIEMENS S71200-1214C.

101

CAPITULO 4

RESULTADOS

En este capítulo se muestra los resultados del diseño del sistema automatizado para el

control y registro de la temperatura, el funcionamiento del sistema SCADA, las vistas:

PROCESO, PID y REGISTRO, y la generación de los registros.

RESULTADO 1

El diseño del sistema de control y registro de temperatura, para el proceso de fabricación

de alimentos líquidos, basados en los sistemas termo-registradores actuales, permitió

optimizar el proceso de producción para cumplir con los estándares de comercialización.

Así, en la vista o pantalla PROCESO, se muestra el comportamiento del proceso de

pasteurización en tiempo real y el comportamiento de la válvula 3 vías, asegurando los

estándares exigidos para la producción de alimentos líquidos, como la pulpa de fruta.

Aquí se tiene acceso a modificación de datos como:

• Punto de Referencia o SET-POINT.

• Límite Superior (alarma de activación/desactivación de válvula 3 vías).

• Límite Inferior (alarma de activación/desactivación de válvula 3 vías).

El rango de temperatura para estos campos es de 0°C a 100°C. Para temperaturas fuera

de ese rango, se tiene que modificar el código del PLC.

102

No se tiene acceso al cambio del valor de la Variable del Proceso, ya que este se comporta

dependiendo del estado en que se encuentra el pasteurizador.

Teniendo en cuenta los siguientes parámetros:

Tabla 11. Parámetros ejemplo para proceso

Parámetros ejemplo para proceso

Punto de Referencia SET-POINT (SP) 75°C

Límite Superior 80°C

Límite Inferior 70°C


Se tiene los siguientes resultados:

Figura 67. Variable del proceso dentro de especificación


Donde:

LI : Límite inferior

LS : Límite superior

SP : SET-POINT (punto de referencia)

PV : Variable del proceso

Como se puede visualizar en la gráfica, la variable del proceso está dentro especificaciones

técnicas, por lo tanto, el proceso de pasteurización está correcto, y los datos de

temperatura se registran en el sistema.

50

60

70

80

90

LI SP LS PV

103

En la vista proceso del SCADA, se visualiza la siguiente Figura 68, en donde se aprecia un

indicador del proceso correcto.

Figura 68. Proceso de pasteurización dentro de parámetros estándar


Para demostrar la seguridad de optimización del sistema propuesto, procedemos a analizar

el comportamiento de las variables de proceso asumiendo valores de temperatura fuera de

los rangos establecidos en el SCADA, observándose en la siguiente figura:

Figura 69. Variable del proceso fuera de especificaciones


Entonces, cuando la variable del proceso sale de las especificaciones técnicas, la válvula

de 3 vías se activa, dando paso al reflujo. Toda la producción en ese intervalo de tiempo

que se encuentra fuera de los límites se regresa al primer tanque de almacenamiento, para

después volver a pasteurizarse correctamente, y es así como se asegura la producción.

Para este caso, en la vista del SCADA se muestra la siguiente Figura 70:

50

55

60

65

70

75

80

85

LI SP LS PV

104

Figura 70. Variable del proceso fuera de parámetros estándar


En la Figura 71 se muestra el proceso estable y controlado, en donde el valor de la variable

del proceso se encuentra en 74.928°C y se mantiene ±1°C de lo establecido o

parametrizado.

Figura 71. Variable de temperatura controlada


A continuación, se realiza una tabla comparativa del sistema propuesto vs el sistema

convencional, respecto al primer resultado obtenido.

105

Tabla 12. Comparación de resultados 1

Comparación de resultados 1

Detalle Sistema

convencional Sistema

propuesto

Producción dentro de estándar LIMITADO SI TIENE

Seguimiento y control de la producción NO TIENE SI TIENE

Control y registro automático LIMITADO SI TIENE


De la comparación desarrollada en la Tabla 12, se concluye que el sistema propuesto

muestra, controla y registra la producción y asegura la calidad del producto procesado.

RESULTADO 2

El programa para el PLC, con algoritmo PID proporcionó el control de la temperatura en el

proceso de fabricación.

Esto se evidencia en la vista PID en donde se sintoniza los parámetros del controlador:

Ganancia proporcional, tiempo integral y tiempo derivativo. También el sistema cuenta con

una activación manual a la apertura de la válvula de vapor para el control del sistema de

pasteurización. Aquí se ingresa el porcentaje de apertura de dicha válvula, de 0% a 100%,

como se observa en la Figura 72.

Figura 72. Configuración manual de la salida del controlador


106

Como se observa en la página 74, se diseña el controlador PID a partir de un modelado

matemático, esto nos da resultados las siguientes ganancias:

𝐾𝑃 = 0.79697

𝐾𝐼 = 0.027952

𝐾𝐷 = 33.0662

También se representa como:

𝐾𝑃 = 0.79697

𝑇𝐼 = 35.7756

𝑇𝐷 = 0.03024

Según la Figura 31, el tiempo de establecimiento controlado sin PID es de 1110 segundos

según los resultados obtenidos del modelado matemático del CAPITULO 3, y con las

ganancias obtenidas del desarrollo este modelado matemático se tiene como resultado 150

segundos de tiempo de establecimiento, esto significa un mejoramiento de 86.5% en el

control del proceso, esto se evidencia en la Figura 73.

Figura 73. Curva representativa del control PID


107

Para la simulación del sistema de control y registro, se utilizó el software WINCC

EXPLORER en donde se implementó el proceso de pasteurización.

En la Figura 73, se visualiza el comportamiento de la variable del proceso sin control

respecto al sistema con control PID.

La respuesta del sistema de control PID es adecuado para el sistema de pasteurizado. A

continuación, en la Figura 74 se muestra el correcto registro de la temperatura obtenido

por el control PID.

Figura 74. Registro de temperatura por el control PID


En la Tabla 13, se realizar una comparación de los sistemas respecto al resultado 2.



Detalle Sistema


propuesto

Parametrización digital de ganancias del controlador PID

NO TIENE SI TIENE

Registro digital de producción, en tiempo real e históricos

NO TIENE SI TIENE

Trazabilidad e información del proceso en tiempo real o días

MUY LENTA RAPIDA

Trazabilidad histórica de meses o años DIAS MINUTOS

Control manual del proceso de pasteurizado SI TIENE SI TIENE


108

Se concluye que el control PID incorporado en el sistema propuesto genera gran valor al

tener acceso rápido a la parametrización de las ganancias.

RESULTADO 3

El diseño de la interfaz SCADA permitió el monitoreo, control y registro del proceso de la

pasteurización.

La configuración del sistema tiene como muestreo y actualización de datos cada 1

segundo, esto se muestra en la Figura 75.

Figura 75. Configuración de toma de datos del sistema


Las funciones matemáticas se ejecutan cada 2.3 µs por instrucción, como se muestra en

la Tabla 14.

Tabla 14. Ejecución de funciones matemáticas

Ejecución de funciones matemáticas


Entonces estas señales del sistema físico son monitoreadas en tiempo real.

109

Para el sistema SCADA, se tiene la siguiente configuración mostrada en la Figura 76.

Figura 76. Tiempo de registro de datos de temperatura al reporte


Se recomienda registrar los datos de temperatura entre 5 a 60 segundos.

Con las configuraciones anteriores se tiene los resultados de un correcto control utilizando

un sistema SCADA. En la Figura 77, se muestra el proceso de pasteurización controlada.

Figura 77. Proceso de pasteurización controlada


En la Tabla 15, se compara los sistemas respecto al resultado 3 obtenido.



Detalle Sistema


propuesto

Parametrización de intervalos y obtención de datos del proceso

NO TIENE SI TIENE

Visualización del proceso y control mediante vistas digitales

NO TIENE SI TIENE

Manipulación a los datos registrados SI NO

Análisis de proceso en tiempo real e históricos LENTA RAPIDA

Control de variables 1 +2


110

De la tabla comparativa se concluye que el sistema SCADA tiene gran cobertura para el

seguimiento, control y registro del proceso de pasteurización a diferencia de los sistemas

convencionales.

RESULTADO 4

La creación de registros de la pasteurización en archivos EXCEL permitió la gestión de la

producción en tiempo real e históricos.

Figura 78. Registro de datos en tiempo real


Como se evidencia en la Figura 78, se muestra el registro de la temperatura de la

producción, en intervalos de tiempo requeridos. Esta información no es manipulable y

refuerza el análisis de datos, gestión y trazabilidad del producto, asegurando la

documentación para ser auditable.

Para la generación de los reportes, se tiene en cuenta lo siguiente:

• Fecha y hora: inicial.

• Fecha y hora: final.

111

Figura 79. Generación de reporte en intervalos de fecha y tiempo


Con estos datos, se genera un libro de Excel, en donde se muestra todos los valores de

medición de temperatura en dicho intervalo, también el estado de la válvula de 3 vías, el

cual indica en qué momento existió reproceso de fluido.

Este reporte, se evidencia en la Tabla 16.

Tabla 16. Registro de temperatura en EXCEL

Registro de temperatura en EXCEL


Para la elaboración del reporte mostrado en la Tabla 16, se extraen los registros desde la

base de datos del SCADA. En la Figura 78 se evidencia el almacenamiento de datos de

temperatura del pasteurizador al sistema cada 5 segundos.

FECHA / HORA TEMPERATURA (oC) STATE(0=FAULT/1=OK) SP LIM_ALTO LIM_BAJO

12/5/2018 11:45:00 75.26764679 1 75 80 70

12/5/2018 11:50:00 75.26403046 1 75 80 70

12/5/2018 11:55:00 75.31829071 1 75 80 70

12/5/2018 12:00:00 75.22786331 1 75 80 70

12/5/2018 12:05:00 75.27126694 1 75 80 70

12/5/2018 12:10:00 75.27126694 1 75 80 70

12/5/2018 12:15:00 75.27126694 1 75 80 70

12/5/2018 12:20:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 12:25:00 75.32551956 1 75 80 70

12/5/2018 12:30:00 75.27488327 1 75 80 70

12/5/2018 12:35:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 12:40:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 12:45:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 12:50:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 12:55:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 13:00:00 75.21339798 1 75 80 70

12/5/2018 13:05:00 75.22425079 1 75 80 70

12/5/2018 13:10:00 75.32913589 1 75 80 70

12/5/2018 13:15:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 13:20:00 75.24594498 1 75 80 70

12/5/2018 13:25:00 75.31105423 1 75 80 70

12/5/2018 13:30:00 75.32190704 1 75 80 70

12/5/2018 13:35:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 13:40:00 75.32913589 1 75 80 70

12/5/2018 13:45:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 13:50:00 75.31105423 1 75 80 70

12/5/2018 13:55:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 14:00:00 75.26403046 1 75 80 70

12/5/2018 14:05:00 75.26403046 1 75 80 70

12/5/2018 14:10:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 14:15:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 14:20:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 14:25:00 75.26041794 1 75 80 70

12/5/2018 14:30:00 75.30743408 1 75 80 70

12/5/2018 14:35:00 75.32913589 1 75 80 70

12/5/2018 14:40:00 75.22425079 1 75 80 70

REGISTROS DE TEMPERATURA

DEL PASTEURIZADOR

112

En la Tabla 17, se realiza la comparación del sistema convencional y el sistema propuesto

respecto al resultado 4 obtenido.



Detalle Sistema


propuesto

Generación de reportes 1 ILIMITADO

Obtención del estado de la válvula de 3 vías para el control del reproceso

NO TIENE SI TIENE

Reporte digital en libro de EXCEL SI TIENE NO TIENE

Trazabilidad y estados del producto mediante reporte de calidad

NO TIENE SI TIENE


En la Tabla 18 se compara la forma en donde se almacenan los registros de temperatura.

Tabla 18. Comparación de registros de temperatura

Comparación de registros de temperatura

Comparación Sistema convencional Sistema propuesto

Registros

Registro análogo en hojas

de papel circular Registro digital importado en

libros EXCEL



12/5/2018 11:45:00 75.26764679 1 75 80 70

12/5/2018 11:50:00 75.26403046 1 75 80 70

12/5/2018 11:55:00 75.31829071 1 75 80 70

12/5/2018 12:00:00 75.22786331 1 75 80 70

12/5/2018 12:05:00 75.27126694 1 75 80 70

12/5/2018 12:10:00 75.27126694 1 75 80 70

12/5/2018 12:15:00 75.27126694 1 75 80 70

12/5/2018 12:20:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 12:25:00 75.32551956 1 75 80 70

12/5/2018 12:30:00 75.27488327 1 75 80 70

12/5/2018 12:35:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 12:40:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 12:45:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 12:50:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 12:55:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 13:00:00 75.21339798 1 75 80 70

12/5/2018 13:05:00 75.22425079 1 75 80 70

12/5/2018 13:10:00 75.32913589 1 75 80 70

12/5/2018 13:15:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 13:20:00 75.24594498 1 75 80 70

12/5/2018 13:25:00 75.31105423 1 75 80 70

12/5/2018 13:30:00 75.32190704 1 75 80 70

12/5/2018 13:35:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 13:40:00 75.32913589 1 75 80 70

12/5/2018 13:45:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 13:50:00 75.31105423 1 75 80 70

12/5/2018 13:55:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 14:00:00 75.26403046 1 75 80 70

12/5/2018 14:05:00 75.26403046 1 75 80 70

12/5/2018 14:10:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 14:15:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 14:20:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 14:25:00 75.26041794 1 75 80 70

12/5/2018 14:30:00 75.30743408 1 75 80 70

12/5/2018 14:35:00 75.32913589 1 75 80 70

12/5/2018 14:40:00 75.22425079 1 75 80 70


DEL PASTEURIZADOR

113

De las comparaciones de la Tabla 17 y Tabla 18, se concluye que los registros digitales

son exactos y confiables. También que, al incorporar un sistema de registro digital, se

asegura la trazabilidad inmediata para auditorías y certificaciones, ya que estos registros

son almacenados en una base de datos no manipulable y se puede importar esta

información en formatos de libros EXCEL, facilitando el tratamiento de datos.

114

CONCLUSIONES

De los resultados obtenidos podemos concluir:

1. El diseño del sistema de control y registro de temperatura propuesto para el proceso

de fabricación de alimentos líquidos permite un registro completo, adecuado y

seguro, en tiempo real e históricos de la producción, en donde los rangos óptimos

para la producción se encuentran parametrizados en 75oC ±5oC y el

comportamiento de la variable del proceso de pasteurizado oscila entre 75oC ±1oC.

Con lo cual se asegura la calidad del producto. Esto se evidencia en la Figura 71

del RESULTADO 1.

2. El algoritmo PID programado en el PLC proporciona el correcto control de la

temperatura en el proceso de pasteurización, lo cual disminuye tiempos y merma

de producción. La mejora del control PID es de 86.5% en tiempo de respuesta en

el sistema de pasteurizado, evidenciado en la Figura 73 del RESULTADO 2. En

dicha figura se evidencia el comportamiento de la variable del proceso de

pasteurizado por medio del control PID diseñado para dicha planta.

3. La interfaz SCADA propuesta permite al usuario la supervisión, control y registro

del proceso de la pasteurización desde una estación PC o HMI en tiempo real. El

diseño del sistema del proceso se visualiza en la Figura 77 del RESULTADO 3.

115

Con la implementación de este sistema, se actualiza la forma de los registros de

datos e información relevantes para la trazabilidad de la producción. También se

dejaría de utilizar los registros convencionales en hojas circulares de los termo-

registradores.

4. La creación de registros de la producción en archivos EXCEL en tiempo real e

históricos permite la gestión de datos para fines de producción, mantenimiento,

calidad y comercial. Y al no ser manipulables, asegura la veracidad y confiabilidad

de información para ser auditada. El registro de estos datos se evidencia en la

Figura 78.

La generación de hojas de cálculo EXCEL, son más seguras a comparación de los

métodos utilizados con los termo-registradores, los cuales registran en hojas de

papel circulares.

El sistema asegura el registro y estos archivos EXCEL se pueden generar todas las

veces que se necesite, como se muestra en la Tabla 16 del RESULTADO 4.

116

RECOMENDACIONES

1. Al implementar el sistema de control y registro de temperatura del proceso de

fabricación de alimentos líquidos, propuesto en la presente investigación, se

recomienda la integración de todas las variables físicas como caudal, presión, nivel,

entre otros, para asegurar el proceso de pasteurización y así optimizar la

producción con el cumplimiento de los estándares de comercialización y

certificación que demanda el mercado.

2. El programa para el PLC, con algoritmo PID proporciona el control de la temperatura

en el proceso de fabricación, entonces al integrar otras variables de proceso se

recomienda tener en consideración el tipo de variable que es y la respuesta en el

tiempo de esta, para así determinar si será un control Proporcional, Proporcional

Integral o Proporcional Integral Derivativo.

En el diseño del controlador PID, se debe tener en cuenta los polos dominantes

para que la función de transferencia de menor orden posible.

3. En el SCADA, se recomienda utilizar dispositivos de conectividad PROFINET, para

la integración rápida y sencilla de los actuadores, PLC y HMI. En el diseño de las

interfaces se tiene que estandarizar cada vista que se desea mostrar por cada

117

proceso o variable, esto para conservar el orden y entendimiento para los usuarios.

Los registros de datos, debe registrarse entre 5 y 60 segundos.

4. En la creación de registros de la pasteurización en archivos EXCEL se recomienda

imprimir los archivos solo si son necesarios, ya que estos se guardan en la base de

datos del sistema SCADA y no son manipulables. Para un mejor flujo de información

de producción, se recomienda integrar una impresora para obtener etiquetas con

valores reales del producto que se está envasando, próximo a despacharse.

118

BIBLIOGRAFIA

ADEX: Exportaciones peruanas crecieron 7% en el 2016. (31 de enero de 2017).

Recuperado de https://www.larepublica.pe

ARIAN, Pt100, su operación, instalación y tablas. Chile. http://www.arian.cl

CONTRERAS, Juan de Dios & PUERTO, Karla. (2014). Sistema SCADA para el proceso

de pasteurización de Jugos. San José de Cúcuta.

DARIO, Luis, DE LA FUENTE, Bernardo, & ENCARNACION, Oscar. (2015).

Automatización de un prototipo tipo evaporador para la obtención de concentrado

de jugo de naranja. México.

GHANADAN, Reza. (1990). Adaptive PID Control of Nonlinear Systems. MS thesis,

University of Maryland, College Park.

HERNANDEZ, J. (2 de setiembre de 2017). Minagri: Sector agropecuario tuvo crecimiento

récord de 9% en julio. Gestión. Recuperado de: https://gestion.pe

HONEYWELL. (2009). DR4300 Circular Chart Recorder Product Manual. USA.

Recuperado de: https://www.honeywellprocess.com

119

INEI. (2016). Exportación no tradicional de frutas y frutos comestibles continúa mostrando

notable incremento. Perú: https://www.inei.gob.pe

LANDIRES, Alvarado. (2011). Estudio del proceso de producción de pulpas de frutas

combinadas, pasteurizadas y congeladas a mediana escala. Guayaquil.

LOARTE, Miluska & YALI, Sheyla. (2015). Estudio de Prefactibilidad para la Instalación de

una Planta de Procesamiento de Pulpas de Frutas para el Mercado

Estadounidense. Lima.

LOPEZ W. & MOYON N. (6 de abril 2011). Desarrollo de un sistema SCADA para la

medición de temperatura con sistemas embebidos para el laboratorio de

mecatrónica de la facultad de mecánica. Riobamba.

MAYORGA, H. (8 de mayo de 2016). SDI Perú: cómo la automatización en centros de

distribución redefine eficiencia en empresas. Gestión. Recuperado de

https://www.gestion.pe.

MENDOZA, Miguel. (2014). Instrumentación: Simbología, normas y sistemas de unidades.

OGATA, Katsuhiko. (2010). Ingeniería de Control Moderna, quinta edición, Madrid.

OLIVA J. (2015). Planta agroindustrial de procesamiento de frutas para la exportación del

producto primario y derivados. Lima.

OLLE, Elgerd (1967). Control Systems Theory. Tokio: McGraw-Hill.

PARRA, Aníbal. (2007). Diseño e implementación de controladores PID industriales. Lima.

PEREZ, Esteban. (2015). Los sistemas SCADA en la automatización industrial. Tecnología

en Marcha. Costa Rica.

PIEROLA, J. (13 de febrero de 2017). JAVIER PIÉROLA DE LA UTP, Automatización y

Robótica en el Perú. Ser peruano. Recuperado de: http://www.serperuano.com

120

PROJECT MANAGEMENT INSTITUTE (PMI). (2017). Guía de los Fundamentos para la

Dirección de Proyectos (Guía PMBOK), sexta edición. Pennsylvania.

PROMPERU. (2010). Estados Unidos, Una guía informativa del mercado. Lima.

REISSMANN, Manual PT100 sensor. Alemania. http://www.reissmann.com

REDONDO, Manel & MORENO, Romualdo. (2008). Diseño e implementación de un

sistema SCADA para una planta de producción y envasado de líquidos. Bellaterra.

RF VALVES (2015). Control Valve Solutions. USA. https://www.rfvalve.com

ROMERO, Diana. (2009). Propuesta de Automatización de los Procesos de Verificación y

Despachos en una Empresa Panificadora. Pontificia Universidad Javeriana. Bogotá.

SIEMENS AG. (2008). Manuial de formación para soluciones generales en automatización

Totally Integrated Automation (TIA). Recuperado de:

https://w3.siemens.com/mcms/sce/de/fortbildungen/ausbildungsunterlagen/classic-

module/tabcardseiten/Documents/anhang/ES_IV_field%20bus.pdf

SIEMENS AG. (2008). Comunicación industrial. Alemania. Recuperado de:

https://w3.siemens.com

SIEMENS AG. (2009). Manual de producto SIMATIC S7-1200 Easy Book. Recuperado

de: http://www.infoplc.net

SIEMENS AG. (2009). SIMATIC SCADA. Alemania. Recuperado de:


SIEMENS AG. (2012). SIMATIC S7 – 1200. Alemania. Recuperado de:


121

SIEMENS AG. (2014). SIMATIC S7 Controlador programable S7-1200. Alemania.

Recuperado de: https://media.automation24.com

SIEMENS AG. (2018). SIMATIC SCADA Systems, totally connected. Totally digitalized.

Alemania. Recuperado de: https://new.siemens.com

SIEMENS AG. (2019). Valves and actuators: Acvatix hydronics. Everything under control.

Suiza. Recuperado de: https://new.siemens.com

TOSCANO, Marco. (2010). Automatización de una Subestación Eléctrica utilizando el

Protocolo IEC 61850 y el ICCP para el envío de Datos. Lima.

UGARTE, Diego, PALOMINO, Carlos & CHOTA, Elías. (2014). Diseño, construcción e

instalación de una pulpeadora de frutas regionales para su uso en la industria

alimentaria en la ciudad de Iquitos. Iquitos.

VARGAS, José. (2000). Metodología Aplicada al Desarrollo de Máquinas Mecatrónicas,

Congreso Latinoamericano de Instrumentación y Control de Procesos. Universidad

Autónoma de Querétaro. México.

VILLALVA, Lenin & ECHEVERRIA, Eduardo (2012). Diseño e implementación de máquina

automática multifunciones para obtener mermeladas, jugos de fruta y pulpa de fruta

pasteurizada. Guayaquil.

122

ANEXOS

123

ANEXO I. CONFIGURACION DE PROGRAMACION DEL PLC

Para la programación se utilizó el Software TIA Portal V.14 de Siemens.

Se crea el proyecto en el software TIA Portal V.14 de siemens.

Figura 80. Creación del proyecto en TIA Portal V.14


Se configura los dispositivos.

Figura 81. Configuración de dispositivos en el proyecto “Registrador”


124

Como siguiente configuración,en Nivel de Acceso seleccionamos: Acceso Completo (sin

protección).

Figura 82. Nivel de acceso: acceso completo


En mecanismos de conexión, nos aseguramos que cuente con el check de: Permitir acceso

vía comunicación PUT/GET del interlocutor remoto.

Figura 83. Permisos de PUT/GET del interlocutor remoto


125

Variables registradas en la memoria del PLC:

Figura 84. Variables PLC


Para el control PID, la señal de entrada del Bloque PID se vincula con la señal de Salida

del bloque FUNCION TT01, en donde se encuentra la lógica del escalamiento

(TT01.OUTPUT):

Figura 85. Vinculación DB:TT01 con DB: TIC01


126

En TIPO DE REGULACION, se configura como temperatura:

Figura 86. Configuración PID: Temperatura


En PARAMETROS DE ENTRADA/SALIDA, se configura como señales de entrada y salida

real:

Figura 87. Configuración PID: Input/Output


PARAMETROS DE ENTRADA/SALIDA, se realiza la conexión entre bloques:

Figura 88. Configuración PID: Input/Output entre Bloques


127

LIMITES DEL VALOR DE SALIDA, se asigna los siguientes valores de respuesta:

Figura 89. Límites del valor de salida


ESCALA DEL VALOR REAL, se tiene los valores escalados de forma lineal:

Figura 90. Escala del valor real


128

LOS PARAMETROS PID, se obtienen los datos desde la vinculación del SCADA:

Figura 91. Parámetros PID


129

ANEXO II. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA

El software utilizado para el diseño del sistema SCADA es SIMATIC WINCC EXPLORER

V7.2.

Se crea un proyecto nuevo: REGISTRO_TEMP:

Figura 92. Proyecto REGISTRO_TEMP


Se configura el sistema SCADA con los parámetros del PLC el cual estará vinculado:

Figura 93. Configuración del sistema SCADA


130

En TAG MANAGEMENT, se añade el dispositivo el cual estará vinculado el sistema

SCADA, para esta investigación, se selecciona el SIMATIC S7-1200, S7-1500 CHANNEL:

Figura 94. Dispositivo SIMATIC S71200 al SCADA


Se crea la conexión del dispositivo:

Figura 95. Conexión del dispositivo SIMATIC S71200 al SCADA


131

Crear la conexión de Protocolo Internet:

Figura 96. Conexión Protocolo Internet SCADA


Se configura los parámetros de conexión:

IP ADDRESS: 192.168.0.30 (la misma Dirección IP del PLC)

ACCESS POINT: S7ONLINE

PRODUCT FAMILY: S71200-CONNECTION

Figura 97. Configuración IP del PLC


132

Se ingresa contraseña en caso tuviese:

Figura 98. Contraseña PLC al SCADA


Una vez realizada la conexión, se actualiza las variables del PLC que estarán vinculadas

al SCADA y se selecciona las que se va a utilizar:

Figura 99. Lectura de variables del PLC


133

Una vez conectado, se muestra todas las variables:

Figura 100. Variables vinculadas del PLC al SCADA


Se selecciona todas las variables a utilizar:

Figura 101. Selección de variables PLC al SCADA


134

Una vez seleccionadas todas las variables, se guarda configuración:

Figura 102. Guardar selección de variables


Se visualiza solo las variables seleccionadas y guardadas, estas variables serán

actualizadas mediante se diseñe el sistema SCADA:

Figura 103. Visualización de variables vinculadas


135

Ahora se selecciona GRAPHICS DESIGNER:

Figura 104. Graphics designer


Se crea tres ventanas:

• PROCESO

• PID

• REGISTRO

Vista: PROCESO

Se tiene a disposicion los siguientes objetos para el diseño del SCADA:

Figura 105. Editor de objetos estándar


136

Seleccionamos el objeto I/O Field, para el ingreso de los límites inferior y superior, SET

POINT y variable del Proceso.

Figura 106. I/O Field


Seleccionamos la variable vinculada, en este caso la Variable TT01_Alarma_H:

Figura 107. Vinculación de cada variable con los I/O Field


137

Se modifica a 1 segundo el tiempo de cambio para cada actualización de datos en este

campo, y se guarda al seleccionar OK.

Figura 108. Configuración de tiempo de actualización de datos I/O


Y así respectivamente para cada cambio de ingreso de datos:

Figura 109. Configuración de campos de ingreso y visualización de datos


138

Esto se repite para las VISTAS de PROCESO y PID.

Se agrega el visor de Control ONLINE TREND CONTROL, para la visualización del

comportamiento gráfico del Proceso:

Figura 110. ONLINE TREND CONTROL Proceso


Se configura la animación del visor de activación y desactivación de la válvula de 3 vías

que da paso al fluido según los parámetros de producción (ver Figura 63).

Figura 111. Visor de activación y desactivación de válvula


139

Figura 112. Diseño del proceso de pasteurización con visor ON/OFF


Se configura el cambio de color, para reconocer el cambio de paso de la válvula de

manera visual:

Figura 113. Configuración de color ON/OFF


Se vincula la etiqueta de cambio:

Figura 114. Vinculación de variable PROCESO_STATE


140

Se selecciona PROCESO_STATE:

Figura 115. Selección de variable PROCESO_STATE


Se configura que cuando está en estado 1: ON, se visualice de color VERDE, y que cuando

se encuentre en estado 0: OFF, se visualice de color GRIS:

Figura 116. Configuración de variable PROCESO_STATE ON/OFF


141

Vista: PID

Se agrega Campos de ENTRADA/SALIDA, y se vincula con la variable del PLC que

corresponde al control PID:

Figura 117. Agregar campos I/O PID


Se agrega el visor de Control ONLINE TREND CONTROL, para la visualización del

comportamiento gráfico de las señales de Entrada y Salida, según la configuración del

SETPOINT y GANANCIAS PID:

Figura 118. ONLINE TREND CONTROL PID


Se configura la vinculación de variables del PLC y SCADA respecto al PID:

142

Figura 119. Vinculación de variables PID al SCADA


Se crea las tendencias gráficas de la Temperatura del Proceso (TEMPERATURA), Set

Point (SP), Nivel Alto (NIVEL_ALTO), Nivel Bajo (NIVEL_BAJO) y Salida del PID

(OUT_TIC01):

Figura 120. Configuración de variables ONLINE TREND CONTROL PID


Se configura la vinculación de datos respectivamente para cada tendencia creada:

143

Figura 121. Selección de variables PID


Vista: REPORTES

Para la creación de los REPORTES, se configura la sincronización de las variables del PLC

con el SCADA, para que cada 5 segundos se guarde el valor actual de la Temperatura del

Proceso:

Figura 122. Selección de variables para el REPORTE


Se configura un ONLINE TABLE CONTROL, para la visualización numérica en tabla del

registro por fecha y tiempo, la temperatura, el estado “0”: Fuera de límites permitidos, “1”:

dentro de los límites permitidos, el SET POINT configurado según el proceso, y LIMITES

ALTO/BAJO, que permiten la adecuada producción.

144

Se agrega un BOTON, y se configura el siguiente evento:

Figura 123. Configuración REPORTE


Se digital el código para la exportación de los registros, el lenguaje de programación es:

VISUAL BASIC.

Figura 124. Vista código Visual Basic para generación de código


145

ANEXO III. PROCESO FUERA DE ESPECIFICACION

Figura 125. Vista SCADA PROCESO: Variable de temperatura fuera de los parámetros

establecidos


146

ANEXO IV. PROCESO DENTRO DE ESPECIFICACION

Figura 126. Vista SCADA PROCESO: Variable de temperatura dentro de los parámetros

establecidos


147

ANEXO V. PID

Figura 127. Vista SCADA PID: Configuración sintonización PID


148

ANEXO VI. REPORTES

Figura 128. Vista SCADA REPORTE: Configuración y sintonización PID


149

ANEXO VII. VARIABLES PLC

Figura 129. Variables finales del PLC


150

ANEXO VIII. VARIABLES SCADA

Figura 130. Variables totales SCADA


151

ANEXO IX. REPORTE EXCEL

Tabla 19. Reporte temperaturas

Reporte temperaturas



12/5/2018 11:45:00 75.26764679 1 75 80 70

12/5/2018 11:50:00 75.26403046 1 75 80 70

12/5/2018 11:55:00 75.31829071 1 75 80 70

12/5/2018 12:00:00 75.22786331 1 75 80 70

12/5/2018 12:05:00 75.27126694 1 75 80 70

12/5/2018 12:10:00 75.27126694 1 75 80 70

12/5/2018 12:15:00 75.27126694 1 75 80 70

12/5/2018 12:20:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 12:25:00 75.32551956 1 75 80 70

12/5/2018 12:30:00 75.27488327 1 75 80 70

12/5/2018 12:35:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 12:40:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 12:45:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 12:50:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 12:55:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 13:00:00 75.21339798 1 75 80 70

12/5/2018 13:05:00 75.22425079 1 75 80 70

12/5/2018 13:10:00 75.32913589 1 75 80 70

12/5/2018 13:15:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 13:20:00 75.24594498 1 75 80 70

12/5/2018 13:25:00 75.31105423 1 75 80 70

12/5/2018 13:30:00 75.32190704 1 75 80 70

12/5/2018 13:35:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 13:40:00 75.32913589 1 75 80 70

12/5/2018 13:45:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 13:50:00 75.31105423 1 75 80 70

12/5/2018 13:55:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 14:00:00 75.26403046 1 75 80 70

12/5/2018 14:05:00 75.26403046 1 75 80 70

12/5/2018 14:10:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 14:15:00 75.33275604 1 75 80 70

12/5/2018 14:20:00 75.23871613 1 75 80 70

12/5/2018 14:25:00 75.26041794 1 75 80 70

12/5/2018 14:30:00 75.30743408 1 75 80 70

12/5/2018 14:35:00 75.32913589 1 75 80 70

12/5/2018 14:40:00 75.22425079 1 75 80 70


DEL PASTEURIZADOR

152

ANEXO X. CODIGO REPORTE

Sub OnClick(Byval Item)

Dim FECHA_UNTIL

Set FECHA_UNTIL = HMIRuntime.Tags("FECHA_UNTIL")

Dim FECHA_SINCE

Set FECHA_SINCE = HMIRuntime.Tags("FECHA_SINCE")

' -----------------------------------------------------------------------------------------

' Fecha Actual

' -----------------------------------------------------------------------------------------

Dim currDate

currDate = (Day(Date()))

currDate = currDate &"_"&(Month(Date()))

currDate = currDate &"_"&(Year(Date()))

currDate = currDate &"_"&(Hour(Time()))

currDate = currDate &"_"&(Minute(Time()))

currDate = currDate &"_"&(Second(Time()))

' -----------------------------------------------------------------------------------------

' Rango de Tiempo

' -----------------------------------------------------------------------------------------

Dim daySince, monthSince, yearSince

Dim dayUntil, monthUntil, yearUntil

Dim dateSince, dateUntil

dateSince = FECHA_SINCE.Read

dateUntil = FECHA_UNTIL.Read

' -----------------------------------------------------------------------------------------

' Datos

153

' -----------------------------------------------------------------------------------------

Dim arrayData(6), ArrayStartCell(6)

arrayData(0) = "TIME"

ArrayStartCell(0) = "A6"

arrayData(1) = "PRUEBA1\TT01_Output"

ArrayStartCell(1) = "B6"

arrayData(2) = "PRUEBA1\PROCESO_STATE"

ArrayStartCell(2) = "C6"

arrayData(3) = "PRUEBA1\TIC01_Setpoint"

ArrayStartCell(3) = "D6"

arrayData(4) = "PRUEBA1\TT01_Alarma_H"

ArrayStartCell(4) = "E6"

arrayData(5) = "PRUEBA1\TT01_Alarma_L"

ArrayStartCell(5) = "F6"

' -----------------------------------------------------------------------------------------

' Configuración al EXCEL

' -----------------------------------------------------------------------------------------

Dim excelTemplatePath, newExcelPath

excelTemplatePath =

"C:\Users\Administrator\Documents\REGISTRADOR\REPORTES\TEMPLATES\TEMPLA

TE1.xlsx"

sheetName = "REPORTE1"

report excelTemplatePath, sheetName, dateSince, dateUntil, arrayData, ArrayStartCell

End Sub

154

ANEXO XI. METODOLOGÍA PMBOK PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA

AUTOMATIZADO DE CONTROL Y REGISTRO EN LA PASTEURIZACION

Tabla 20. PMPOK - Diseño de un sistema automatizado para el control y registro

PMPOK - Diseño de un sistema automatizado para el control y registro

Área de Conocimiento

Inicio Planificación Ejecución Monitoreo Cierre

Integración Desarrollar el

modelo de Proyecto

SCADA

Desarrollar el plan de dirección de

SCADA

Gestionar y dirigir el proyecto de control

y registro

Gestionar el

conocimiento del sistema

Monitorear y controlar los

trabajos del SCADA

Realizar control

integrado de cambios

Cerrar las fases del

proyecto

Alcance

Planificar la gestión del alcance

Recopilar requisitos

Definir los alcances

Crear la EDT de la Programación PLC

y el SCADA

Validar alcances

Controlar alcances

Cronograma

Planificar el cronograma de

Gestión

Definir y Secuenciar las

actividades

Trazar duraciones

de actividades Desarrollar el

cronograma

Controlar el cronograma para

Programación PLC

y SCADA

Costos

Planificar la gestión

de costos en el

sistema

automatizado Suprimir costos

Determinar

presupuestos del

diseño

Controlar costos de

diseño

Calidad Planear la gestión

de calidad

Gestionar la calidad

de datos registrados

Controlar los datos

registrados en el SCADA

Recursos

Planear los

recursos

Planificar los recursos de las

actividades

Adquirir los

recursos Desarrollar el

equipo

Dirigir al equipo si

hubiese

Controlar los recursos para el

desarrollo del

diseño SCADA

Comunicaciones Planificar la gestión

de comunicaciones

Gestionar las

comunicaciones

Monitorear las

comunicaciones

Riesgos

Planear la gestión

de riesgos

Establecer riesgos Realizar análisis

cuantitativo

Realizar análisis cualitativo

Planificar

respuestas ante

riesgos de pérdida de datos

registrados en el

SCADA

Implementar planes

de acciones antes los riesgos

presentados en el

diseño del SCADA

Controlar los

riesgos presentados en el

desarrollo del

proyecto

Adquisiciones

Planificar la gestión

de las

adquisiciones de materiales para la

elaboración del

sistema

Efectuar las adquisiciones

Controlar las

adquisiciones para el sistema

automatizado

Interesados

Identificar los

interesados:

Empresas

Exportadoras Agroindustriales

Planear el

involucramiento de

dichas empresas

Gestionar la participación de las

empresas

agroindustriales

Monitorear el involucramiento de

las empresas

agroindustriales

155

ANEXO XII. DATOS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA EN UN

SISTEMA DE PASTEURIZACION

Tiempo seg Temperatura °C Apertura % Tiempo seg Temperatura °C Apertura %

0 0.00 0 2550 45.14 50

50 29.97 100 2600 45.07 50

100 50.56 100 2650 45.12 50

150 63.79 100 2700 45.18 50

200 72.73 100 2750 44.51 50

250 78.82 100 2800 45.20 50

300 82.44 100 2850 45.89 50

350 85.43 100 2900 44.98 50

400 86.93 100 2950 45.01 50

450 87.74 100 3000 45.12 50

500 88.45 100 3050 45.21 50

550 89.50 100 3100 45.00 50

600 89.66 100 3150 42.89 0

650 89.60 100 3200 41.02 0

700 90.67 100 3250 40.70 0

750 90.38 100 3300 38.60 0

800 90.45 100 3350 34.54 0

850 90.90 100 3400 31.22 0

900 90.33 100 3450 29.76 0

950 90.65 100 3500 27.93 0

1000 90.77 100 3550 25.23 0

1050 90.58 100 3600 22.54 0

1100 90.69 100 3650 21.57 0

1150 90.69 100 3700 19.19 0

1200 90.19 100 3750 18.10 0

1250 91.00 100 3800 16.70 0

1300 90.90 100 3850 15.58 0

1350 90.60 100 3900 13.12 0

1400 90.20 100 3950 12.24 0

1450 90.40 100 4000 11.02 0

1500 89.00 50 4050 9.56 0

1550 87.40 50 4100 8.25 0

1600 84.20 50 4150 7.19 0

1650 82.43 50 4200 6.38 0

1700 79.84 50 4250 5.22 0

1750 76.82 50 4300 4.10 0

1800 74.96 50 4350 2.33 0

1850 72.03 50 4400 1.50 0

1900 70.43 50 4450 0.20 0

1950 67.94 50 4500 0.17 0

2000 66.57 50 4550 0.14 0

2050 64.39 50 4600 0.11 0

2100 62.40 50 4650 0.08 0

2150 60.80 50 4700 0.02 0

2200 59.48 50 4750 0.00 0

2250 57.92 50 4800 0.00 0

2300 55.34 50 4850 0.00 0

2350 52.13 50 4900 0.00 0

2400 50.07 50 4950 0.00 0

2450 48.79 50 5000 0.00 0

2500 46.87 50