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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
AUTOMATIZACIÓN DEL EQUIPO PARA LA FABRICACIÓN DE
RESINAS EN LA PLANTA DE “PINTURAS CÓNDOR”
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENI ERO EN
ELECTRÓNICA Y CONTROL
ADRIANA ELIZABETH GUTIÉRREZ DURÁN
JOSÉ DAVID JARA BERNIS
DIRECTOR: ING. PABLO ANGULO
Quito, Diciembre 2007
DECLARACIÓN Nosotros, Adriana Elizabeth Gutiérrez Durán y José David Jara Bernis,
declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido
previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y que
hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este
documento.
La Escuela Politécnica Nacional, puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
______________________ ___________________ Adriana Elizabeth José David Gutiérrez Durán Jara Bernis
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Adriana Elizabeth Gutiérrez
Durán y José David Jara Bernis, bajo mi supervisión.
________________________ Ing. Pablo Angulo
DIRECTOR DEL PROYECTO
AGRADECIMIENTO
A mis padres y hermanas por todo su cariño, comprensión y apoyo, al Ing. Luis
Larco por la confianza depositada para el desarrollo de este proyecto, al Tlgo.
Iván Guaminga por su colaboración, al Ing. Pablo Angulo por sus consejos y
ayuda, a mi amigo David por comprometerse con este proyecto tanto como yo, a
Diego por su apoyo incondicional y a todos mis amigos y maestros que de alguna
manera han hecho que la EPN sea mi segundo hogar.
Adriana Elizabeth Gutiérrez Durán.
AGRADECIMIENTO Quiero agradecer en primer lugar a mi hermosa familia, a mi madre Fátima y a
mis hermanas Pamela y Paulina, la que sin su respaldo y apoyo mi carrera no
habría sido posible; a mi director del proyecto de titulación el Ing. Pablo Angulo
por sus sabios consejos y recomendaciones y de forma muy especial a mi amiga
Adriana Gutiérrez por su bella amistad.
José David Jara Bernis.
DEDICATORIA
A mis padres Ernesto y Sarita por ser aquellos padres ejemplares que con sus
valiosos consejos me enseñaron a luchar y a salir adelante ante cualquier
adversidad, y a mis hermanas Pauly y Vero por todo su cariño y compresión.
Adriana Elizabeth Gutiérrez Durán.
DEDICATORIA Dedico el presente trabajo a mi madre Fátima de las Mercedes Bernis quien
siempre ha estado conmigo en los momentos más duros y difíciles. Gracias por tu
apoyo y amor incondicional en la culminación de esta meta y durante toda mi vida.
José David Jara Bernis.
i
CONTENIDO
CAPITULO 1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE RESINAS 1.1 INTRODUCCIÓN.................................................................................................. 2
1.2 MATERIAS PRIMAS ............................................................................................ 3
1.3 PROCESO DE ELABORACIÓN DE RESINA..................................................... 4
1.3.1 DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES Y EQUIPOS.......................... 4 1.3.2 DESCRIPCIÓN DEL TANQUE PRINCIPAL DE MEZCLA DE RESINA.. 7 1.3.3 ETAPAS DEL PROCESO ..............................................................................8
CAPITULO 2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL PROCESO
2.1 SISTEMA ANTIGUO DE CONTROL................................................................ 19
2.1.1 CONTROL DEL PROCESO ........................................................................ 19 2.1.2 MOTORES Y VÁLVULAS.......................................................................... 25 2.1.3 TANQUE MEZCLADOR MQ5 ................................................................... 26
2.2 NUEVO SISTEMA DE CONTROL .................................................................... 26
2.2.1 CONTROL DEL PROCESO .............................................................................26 2.2.2 MODO DE OPERACIÓN................................................................................. 28 2.2.3 MOTORES......................................................................................................... 32 2.2.4 VÁLVULAS....................................................................................................... 32 2.2.5 TRANSMISORES DE TEMPERATURA......................................................... 34 2.2.6 MEDIDOR DE ENERGÍA................................................................................. 35 2.2.7 TANQUE MEZCLADOR MQ5 ........................................................................ 36
CAPITULO 3 DISEÑO DEL CIRCUITO DE FUERZA Y DEL SISTEMA DE
CONTROL ............................................................................................ 38 3.1 REQUERIMIENTOS DEL DISEÑO................................................................... 38
3.2 CIRCUITO DE FUERZA..................................................................................... 39
3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO DE CONTROL......................................................... 45
3.3.1 HARDWARE DE CONTROL...................................................................... 45 3.3.2 DESCRIPCION DEL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE.......... ....................................................................................................................... 58 3.3.3 LÓGICA DE CONTROL.............................................................................. 73 3.3.4 DISEÑO DEL PROGRAMA DEL PLC....................................................... 79
CAPITULO 4 DESARROLLO DE LA INTERFAZ HMI Y DE LA TERMINAL DE
OPERADOR ......................................................................................... 94 4.1 EQUIPOS PARA LA PRESENTACIÓN DE LAS INTERFASES HMI ............ 94
4.2 DESCRIPCION DEL SOFTWARE DE LAS HMI ............................................. 96
4.2.1 SOFTWARE INTOUCH PARA INTERFAZ CON COMPUTADORA ......... ....................................................................................................................... 96 4.2.2 I/O SERVER ................................................................................................. 97
ii
4.2.3 SOFTWARE VIJEO VERSIÓN 4.4 PARA INTERFAZ CON LA TERMINAL DE OPERADOR...................................................................... 98
4.3 DISEÑO DE LA HMI PARA LA COMPUTADORA A TRAVÉS DEL
SOFTWARE INTOUCH....................................................................................... 106
4.3.1 FUNCIONES............................................................................................... 106 4.3.2 ESTRUCTURA DE PANTALLAS ............................................................ 107
4.4 DISEÑO DE LA HMI PARA LA TERMINAL DE OPERADOR A TRAVÉS DEL
SOFTWARE VIJEO DESIGNER 4.4................................................................... 116
4.4.1 FUNCIONES............................................................................................... 116 4.4.2 ESTRUCTURA DE PANTALLAS ............................................................ 116
4.5 ARQUITECTURA DE CONTROL ................................................................... 124
CAPITULO 5 EJECUCIÓN DEL PROYECTO...................................................... 129
5.1 MONTAJE E INSTALACIÓN .......................................................................... 129
5.1.1 MONTAJE .................................................................................................. 129 5.1.2 INSTALACIÓN .......................................................................................... 144 5.1.3 COSTOS...................................................................................................... 150
CAPITULO 6 PRUEBAS Y RESULTADOS............................................................ 152
6.1 PRUEBAS DE CONEXIONES ELÉCTRICAS ................................................ 152
6.2 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL PLC Y LAS HMI......................... 154
6.3 TABLAS Y GRÁFICOS DE COMPORTAMIENTO DE LOS EQUIPOS ...... 155
6.4 PRUEBAS SOBRE EL VARIADOR DE VELOCIDAD DEL TANQUE MQ5 ....
……………………………………………………………………………………162
6.5 PRUEBAS FINALES......................................................................................... 163
6.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS ................................................. 165
CAPITULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................... 169
7.1 CONCLUSIONES.............................................................................................. 169
7.2 RECOMENDACIONES..................................................................................... 171
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 173 ANEXOS
iii
RESUMEN
En el presente proyecto se desarrolla e implementa la automatización del equipo
para la fabricación de la resina llamada “úrea-formaldehído” la que se elabora en
la planta de Pinturas Cóndor. Inicialmente todo el equipo trabajaba en forma
manual, el operador se encargaba de la carga de materia prima y de controlar la
temperatura en el tanque mezclador MQ6. El operador registraba la temperatura
del tanque y del condensador en hojas de proceso y no contaba con un sistema
de monitoreo.
El sistema de control diseñado para el proyecto se trata básicamente del control
automático de la temperatura del tanque MQ6 y del monitoreo de la temperatura
del condensador. El sistema proporciona un control supervisorio con dos
interfaces de operación HMI: la primera elaborada en el ambiente InTouch y que
fue implementada en la computadora del laboratorio de resinas; la segunda
interfaz HMI se implementó en una terminal de operador que está ubicada en un
tablero de control.
El sistema cuenta con tres modos de operación: un modo totalmente manual
independiente del PLC, un modo manual por medio de las interfaces HMI de
control y un modo semiautomático de control de temperatura. En cada uno de
estos modos el sistema registra la variación de temperatura en el tanque MQ6 y
en el condensador, monitorea todas las señales de los actuadores, motores y
protecciones del circuito de fuerza. Envía señales de eventos de alarmas y
mensajes para orientar al operador en las diferentes etapas de la ejecución del
proceso de la fabricación de resina.
El control de la temperatura del tanque MQ6 cumple a satisfacción con la curva
ideal, dentro de la tolerancia aceptada por el proceso, el sistema superó todas las
pruebas previstas para la variación de la temperatura en las etapas de
calentamiento y enfriamiento. Además realiza el monitoreo de todas las variables
de temperatura, del estado de los actuadores y las protecciones del circuito de
fuerza y de control. Los mensajes del proceso (en conjunto con los diagramas de
iv
fases) orientan de la forma más amigable y oportuna al operador sobre las
acciones a ejecutar en cada paso de la fabricación de la resina. Los registros de
temperatura sirven para tener un seguimiento de todo el proceso y de esta
manera es posible determinar si existieron errores en la calidad de los
componentes, retardos en las etapas de calentamiento y enfriamiento del tanque
MQ6.
En base a los resultados obtenidos se puede afirmar que los tiempos muertos han
disminuido con el control de temperatura del tanque MQ6; sin embargo, los
tiempos muertos debido a la carga de materia prima no presentaron una variación
significativa debido a que estas etapas todavía se efectúan en forma manual.
El proyecto cumple con todos los requisitos especificados en la receta de la
fabricación de la resina, además brinda toda la información del proceso en forma
legible y elabora un registro de temperatura y alarmas del proceso.
v
PRESENTACIÓN
Con el presente proyecto se logró automatizar el equipo para la fabricación de
resinas en la planta de Pinturas Cóndor y se llevó a cabo a través de la empresa
Elsystec S. A, la misma que se encargó de la adquisición de los equipos y del
financiamiento del proyecto.
El sistema de control se encarga de monitorear y controlar la temperatura en un
tanque mezclador conocido como tanque MQ6 y proporciona toda la información
sobre alarmas y registros de temperatura para el proceso de fabricación de la
resina úrea formaldehído.
El sistema de control cuenta con dos modos de operación: un modo manual a
través de pulsantes de start / stop y luces piloto para los diferentes motores y un
modo semi-automático a través de dos interfaces HMI desarrolladas para la
computadora y para la terminal de operador.
Para la medición de temperatura del tanque MQ6 y en el condensador se utilizan
sensores de temperatura en conjunto con equipos transmisores indicadores
además se cuenta con un medidor de energía para medir los valores de voltaje,
corriente, potencia, etc.
El control de temperatura se basa en la regulación de caudal de vapor de agua
que circula por un tubo de calentamiento, el cual permite calentar al tanque MQ6.
Para ejercer las acciones de control se utilizó un PLC que monitorea las señales
de temperatura, los estados de las válvulas neumáticas, los estados de los
motores y sus protecciones, además permite el accionamiento de los motores y
controla la apertura y el cierre de las válvulas neumáticas.
vi
El tanque MQ6 tiene un agitador acoplado a un motor trifásico jaula de ardilla al
que se le instaló un variador de velocidad que sirve para proporcionar un arranque
suave al motor y para controlar la velocidad del agitador.
En el primer capítulo se explica con detalle el proceso para la elaboración de la
resina de úrea-formaldehído y las materias primas que se utilizan.
En el segundo capítulo se realiza una descripción de la forma de operación de los
equipos instalados inicialmente y el nuevo modo de operación con los equipos
implementados.
En el tercer capítulo se describe el sistema de control incluyendo diagramas
unifilares, dimensionamiento de equipos y protecciones y lógica de control del
PLC.
En el cuarto capítulo se explican las interfaces HMI para la computadora y para la
terminal de operador, se describen los softwares utilizados y la arquitectura de
control.
En el quinto capítulo se muestra el costo aproximado de los equipos y se detalla
el montaje de los mismos en los dos tableros de control y la instalación en el sitio
de operación.
En el sexto capítulo se explican las pruebas realizadas al sistema de control y se
analizan los resultados obtenidos.
En el séptimo capítulo se presentan las conclusiones y recomendaciones del proyecto.
1
CAPÍTULO 1
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE RESINAS
2
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE RESINAS
1.1 INTRODUCCIÓN
La planta de Pinturas Cóndor se ubica en el complejo industrial Quito:
Cusubamba OE1-365 y Manglaralto (sector Guajaló), a más de producir pinturas,
también elabora resinas que se usan para la fabricación de lacas, sistemas
catalizados al ácido y esmaltes horneables.
Para el efecto se dispone de un área considerable conocida como sección
resinas, en la cual existen varios tanques mezcladores de gran capacidad (entre 6
y 8 toneladas) conocidos como reactores, que son la base para la elaboración de
estos productos. También se cuenta con un laboratorio para análisis de
muestras que se toman durante la elaboración de un lote de producto.
Se elaboran diferentes tipos de resinas caracterizadas por su retención de color y
brillo, resistencia a diversos productos químicos y al medio ambiente, solubilidad
en diversos solventes aromáticos, ésteres y alcoholes.
Uno de los principales productos que se elabora es la resina de úrea-
formaldehído que se usa para la fabricación de lacas, para lo cual se usa el
tanque mezclador conocido como reactor MQ6, cuyo proceso de mezcla es el
objetivo de automatización de este proyecto.
En este capítulo se describen los principales componentes de la resina de úrea-
formaldehído así como las etapas del proceso de mezcla.
3
1.2 MATERIAS PRIMAS
Para fabricar la resina de úrea-formaldehído se necesitan los siguientes
compuestos: butanol, paraformaldehído, úrea, reguladores de PH básico y PH
ácido y xileno en cantidades determinadas en una fórmula química, los mismos
que son mezclados en el tanque mezclador MQ6.
Butanol
Es un líquido incoloro, es conocido como un agente deshidratante en
destilaciones azeotrópicas, se usa como solvente para la fabricación de
explosivos a base de nitrocelulosa y para la extracción de diversas grasas,
aceites, ceras y resinas.
Paraformaldehído
Se encuentra como polvo cristalino blanco con olor acre, se descompone al
calentarlo a altas temperaturas y reacciona con oxidantes, ácidos y bases fuertes
para producir formaldehído; si se encuentra mezclado con el aire en forma
granular puede producir explosiones.
Úrea
Es un compuesto cristalino incoloro con un punto de fusión de 132,7°C, debido a
su alto contenido en nitrógeno se la utiliza en la fabricación de fertilizantes
agrícolas, se usa también como estabilizador en explosivos de nitrocelulosa y es
un componente básico de resinas preparadas sintéticamente.
Reguladores de PH ácido y básico
En el proceso se utiliza el ácido fosfórico en una solución de butanol como
regulador de PH ácido y se utiliza el hidróxido de sodio en una solución de butanol
como regulador de PH básico.
4
Xileno
Es un líquido incoloro, inflamable e insoluble en agua, se usa para la fabricación
de insecticidas y pinturas, se utiliza también como solvente y en la síntesis de
productos farmacéuticos.
1.3 PROCESO DE ELABORACIÓN DE RESINA
1.3.1 DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES Y EQUIPOS
Todas las instalaciones para la fabricación de la resina de úrea-formaldehído que
se elabora en el tanque MQ6 se muestran en el diagrama del proceso en la Fig.
1.1, el mismo que ha sido dividido en zonas para facilitar la ubicación de los
siguientes equipos:
Un tanque principal mezclador de resina conocido como reactor MQ6 (Fig.
1.13).
Un tanque para almacenamiento de regulador de PH ácido llamado TQ_01
(Fig. 1.8), el cual dispone de un agitador acoplado a un motor de inducción.
Un tanque para almacenamiento de butanol llamado TQ_02 (Fig. 1.2), el cual
tiene un agitador acoplado a un motor de inducción.
Un condensador (Fig. 1.12) encargado de convertir el vapor generado en el
interior del tanque mezclador en líquido.
Un tanque separador (Fig. 1.9) en el que se separa en agua y butanol el
líquido que sale del condensador.
Torres de enfriamiento de los tanques mezcladores MQ2 y MQ5 para la
refrigeración del condensador (Fig. 1.12) y el tanque mezclador MQ6 (Fig.
1.13).
Dos sensores de temperatura PT100 instalados en el condensador, cuya señal
es acondicionada por dos transmisores indicadores de temperatura para leer
la temperatura a la entrada y a la salida del condensador.
Un sistema de galgas extensiométricas instaladas en los tanques TQ_01 (Fig.
1.8) y TQ_02 (Fig. 1.2) que se encargan de medir el peso en cada tanque, el
cual es mostrado en dos displays.
5
TIT
101
TIT
102
MPCT_101
4-20mA
US
MPCT_102
4-20mA
US
TIT
201
MPCT_201
US
TIT
202US
A1
MPCT_101
3F
0-20mA
0-10V
WI
TQ_02US
WE_TQ_02
US
WE_TQ_01
WI
TQ_01
FV
101
MPCT_101
4-20mA
0-6
Bar
0-6
Bar
FC_201 MPCF_201
120Vac
0-6
Bar
FC_202 MPCF_202
120Vac
0-6
Bar
WC_202 MPCW_202
120Vac
MPCT_202
4-2
0mA
4-2
0mA
120Vac
120Vac
120Vac
Fig. 1.1 Layout del proceso. 1)
1) P
ara mayor detalle ver el anexo 3.
6
DISPOSITIVO VARIABLE RANGO
DE MEDIDA
SEÑAL ALIMENTACION LAZO DE CONTROL OBSERVACIONES
TE_101 Temperatura 0ºC a 600ºC
resistiva 24V DC T_101 sensor RTD PT_100 entrada condensador.
TE_102 Temperatura 0ºC a 600ºC
resistiva 24V DC T_102 sensor RTD PT_100 salida condensador.
TE_201 Temperatura 0ºC a 600ºC
resistiva 24V DC T_201 sensor RTD PT_100 superior del tanque MQ6.
TE_202 Temperatura 0ºC a 600ºC
resistiva 24V DC T_202 sensor RTD PT_100 inferior del tanque MQ6.
TIT_101 Temperatura 4 - 20 mA eléctrica 24V DC T_101
transmisor indicador entrada condensador
TIT_102 Temperatura 4 - 20 mA
eléctrica 24V DC T_102 transmisor indicador salida condensador
TIT_201 Temperatura 4 - 20 mA
eléctrica 24V DC T_201
transmisor indicador del sensor superior del tanque MQ6
TIT_202 Temperatura 4 - 20 mA
eléctrica 24V DC T_202
transmisor indicador del sensor inferior del tanque MQ6
FCV_101 Flujo de vapor de
agua
0 a 100%
neumatica 6 bares F_101 servoválvula de control de flujo del tanque MQ6
FCV_201 Flujo de vapor de
agua
abierto / cerrado neumática 6 bares F_201
válvula de control de vapor de agua del tanque MQ6
FCV_202 Flujo de agua fría
abierto / cerrado
neumática 6 bares F_202 válvula de control de agua fría del tanque MQ6
WCV_202 Flujo de butanol
abierto / cerrado
neumática 6 bares W_202 válvula de control de butanol del tanque TQ_02
FC_201 Flujo de vapor de
agua
abierto / cerrado
eléctrica 120 V AC F_201
electro-válvula de control de vapor de agua del tanque MQ6
FC_202 Flujo de agua fría
abierto / cerrado
eléctrica 120 V AC F_202 electro-válvula de control de agua fría del tanque MQ6
WC_202 Flujo de butanol
abierto / cerrado eléctrica 120 V AC W_202
electro-válvula de control de butanol del tanque TQ_02
7
WE_TQ_01 Peso de butanol
0 a 5000 Kg
resistiva 120 V
AC W_201
galgas extensiométricas para la medición de peso
WE_TQ_02 Peso de butanol
0 a 5000 Kg
resistiva 120 V
AC W_202
galgas extensiométricas para la medición de peso
WIT_201 Peso de butanol
0 a 5000 Kg
visual 120V AC
W_201 indicador de peso del tanque TQ_01
WIT_202 Peso de butanol
0 a 5000 Kg
visual 120 V
AC W_202
indicador de peso del tanque TQ_02
Tabla. 1.1 Nomenclatura del diagrama P&ID.
1.3.2 DESCRIPCIÓN DEL TANQUE PRINCIPAL DE MEZCLA DE RESIN A
El tanque principal de mezcla en el que se elabora la resina de úrea-formaldehído
es conocido como reactor MQ6, tiene una altura aproximada de 4 metros y una
capacidad de 8000 litros (Fig. 1.13).
Dentro del tanque mezclador está instalado un serpentín a través del cual circula
el agua fría para la etapa de enfriamiento, el flujo dentro del serpentín se controla
a través de válvulas manuales instaladas en las tuberías (Fig. 1.7).
El tanque MQ6 está rodeado por un tubo exterior (llamado tubo de calentamiento)
que se divide en tres partes conocidas como camisas; cuando circula vapor de
agua dentro del tubo la temperatura del tanque empieza a subir. El flujo del vapor
de agua se controla con válvulas manuales acopladas a la tubería del tanque
MQ6 (Fig. 1.5).
En el tanque mezclador están instalados dos sensores de temperatura PT100,
uno ubicado en la parte superior que mide la temperatura de los gases y otro
instalado en la parte inferior que mide la temperatura del proceso.
Para la carga de materia prima el tanque mezclador tiene una compuerta manual
llamada “manhole” (Fig. 1.10) a través de la cual se ingresa el xileno, mientras
8
que para ingresar el paraformaldehído y la úrea se utiliza la tolva TLV_01 (Fig.
1.3).
En el caso en que la presión dentro del tanque mezclador MQ6 sea
excesivamente peligrosa, este tanque cuenta con una tubería de desfogue a
través de la cual salen los gases.
El tanque mezclador MQ6 dispone de un agitador, el cual está acoplado a un
motor de 15HP por medio de un motor-reductor cuyo factor de reducción es de
17,08. Para la elaboración de la resina de úrea-formaldehído se requiere que la
velocidad del motor sea constante durante todo el proceso.
En la parte inferior del tanque mezclador se encuentran: una válvula manual para
la toma de muestras de resina (Fig. 1.6) y una válvula manual para la descarga
del producto final.
1.3.3 ETAPAS DEL PROCESO
Para poder elaborar la resina de úrea-formaldehído con los niveles de viscosidad,
pureza y retención de sólidos necesarios se debe cumplir con las siguientes
etapas:
Carga de butanol
El butanol es uno de los componentes básicos tanto de las pinturas como de las
resinas, y se almacena en grandes tanques, ubicados en el área de solventes,
para ser enviado a las diferentes áreas a través de un anillo de distribución.
Para el caso de la elaboración de la resina úrea-formaldehído el butanol se
almacena en el tanque TQ_02 (Fig. 1.1 zona 3), que se alimenta utilizando una
bomba que succiona el producto desde unos tanques contenedores.
Este tanque está fabricado con acero inoxidable con tecnología a prueba de
explosión, tiene una capacidad de 2350 litros y está provisto de un agitador, un
9
ducto para desfogue de gases, un sistema de galgas extensiométricas para
pesaje y un display que muestra la cantidad de producto existente. El butanol se
transporta por gravedad hacia el tanque mezclador MQ6 (Fig. 1.1 zona 1), cuyo
flujo es controlado por una válvula manual.
El operador gobierna la válvula de ingreso hasta obtener el peso establecido en
la receta. Luego abre la válvula de descarga (Fig. 1.1 zona 3) para enviar el
butanol al tanque MQ6. Esta operación se repite, dependiendo de los
requerimientos del proceso.
Fig. 1.2 Tanque de butanol TQ_02
Carga de paraformaldehído
Una vez descargado el butanol en el tanque mezclador MQ6 se debe añadir
paraformaldehído, el cual se lo carga manualmente en una tolva TLV_01 (Fig.
1.3), cuya capacidad es de aproximadamente 3000Kg.
La tolva tiene en su parte inferior una válvula neumática de cuchilla que sirve para
descargar el paraformaldehído en el tanque mezclador y es comandada por una
palanca manual.
10
Fig. 1.3 Tolva TLV_01
Agitación del tanque mezclador MQ6
Paralelamente a la carga de paraformaldehído se debe encender el agitador del
tanque mezclador a una velocidad constante de 90 rpm. El agitador debe
permanecer a esta velocidad durante todo el proceso de modo que se consiga
homogenizar la mezcla en todas sus etapas tanto de calentamiento como de
enfriamiento.
Fig. 1.4 Agitador de Tanque mezclador MQ6.
Calentamiento a 70°C
Una vez que se ha añadido el butanol y el paraformaldehído se debe calentar la
mezcla hasta 70°C. Para esto se abren las válvulas manuales (Fig. 1.1 zona 6)
11
que dan paso al vapor de agua, el cual circula a través de un tubo de
calentamiento en el tanque mezclador para poder subir la temperatura en las
etapas requeridas. El compuesto debe permanecer agitándose a esta temperatura
durante una hora.
El vapor de agua para las etapas de calentamiento es suministrado por un caldero
que también abastece a otros tanques mezcladores, razón por la cual el tiempo
que demora en calentar al tanque MQ6, depende de la cantidad de tanques que
esté abasteciendo el caldero.
Fig. 1.5 Válvulas manuales para vapor de agua
Toma de muestra
Al transcurrir una hora de agitación a 70°C se obti ene una muestra del compuesto
a través de las válvulas manuales de toma de muestra (Fig. 1.1 zona 1) ubicadas
en la parte inferior del tanque mezclador para analizarla y verificar si cumple con
los requerimientos de transparencia. En el caso de que no cumpla con esta
propiedad se deja agitando el compuesto a 70°C dura nte un tiempo extra,
establecido por la persona encargada de supervisar el proceso, hasta que la
muestra sea aceptada.
12
Fig. 1.6 Válvulas manuales para toma de muestra
Carga de úrea y regulador de PH básico
Una vez aceptada la muestra se debe añadir al compuesto una determinada
cantidad de úrea a través de la tolva TLV_01 (Fig. 1.3). Posteriormente se
ingresan reguladores de PH básico por medio de una compuerta de
accionamiento manual conocida como “manhole”; esto produce una reacción
exotérmica que hace que la temperatura del tanque mezclador comience a subir
en forma progresiva, razón por la que se debe esperar quince minutos para que la
temperatura se estabilice.
Calentamiento a 95°C
Debido a que en la reacción exotérmica no se alcanzan los 95°C requeridos en la
receta, se debe calentar el compuesto. Para ello se abren nuevamente las
válvulas manuales de vapor de agua (Fig. 1.1 zona 6). El compuesto debe
permanecer agitándose a esta temperatura durante veinte y cinco minutos.
Enfriamiento a 80°C
Una vez transcurridos los veinte y cinco minutos, el compuesto debe ser enfriado
hasta 80°C, para esto las válvulas de vapor de agua (Fig. 1.1 zona 6) deben estar
cerradas y se abren las válvulas manuales ubicadas en la parte inferior del tanque
13
mezclador (Fig. 1.1 zona 1) para que pueda circular el agua fría a través del
serpentín.
El agua fría proviene de un sistema de torres de enfriamiento que sirve para
enfriar a los tanques MQ2, MQ5, MQ6 y su condensador.
Fig. 1.7 Válvulas manuales para agua fría
Carga de regulador de PH ácido
Al mismo tiempo que se está procesando el compuesto se prepara el regulador
de PH ácido, que es una solución de ácido fosfórico en butanol, para lo cual se
usa el tanque TQ_01 (Fig. 1.1 zona 2), en el que se ingresan en forma manual los
componentes y se agita por cinco minutos. La capacidad de este tanque es de
400 litros.
Una vez que la temperatura del tanque MQ6 haya bajado hasta 80°C se descarga
el regulador de PH en el tanque mezclador, mediante válvulas de accionamiento
manual situadas en la parte inferior del tanque TQ_01 (Fig. 1.1 zona 2).
14
Fig. 1.8 Tanque de materia prima TQ_01
Salida de agua
Después de la descarga del regulador de PH ácido en el tanque mezclador (Fig.
1.13), la temperatura comienza a subir progresivamente y el operador debe
esperar quince minutos para que se estabilice. Posteriormente se calienta el
compuesto abriendo las válvulas de vapor de agua (Fig. 1.1 zona 6) durante el
resto del proceso.
Los gases que se generan en el tanque mezclador van al condensador (Fig. 1.1
zona 4), en donde recuperan su fase líquida y son enviados al tanque separador
(Fig. 1.1 zona 5), cuya capacidad es de 440 litros. En este tanque el agua se
separa del butanol por su densidad, quedando el butanol en la parte superior y el
agua, por ser más pesada, queda en la parte inferior.
El butanol regresa al tanque mezclador para continuar con la salida de agua,
mientras que el agua (considerada como producto secundario en la fabricación de
la resina) es enviada a un tanque residual a través de las válvulas de desfogue
del tanque separador (Fig. 1.1 zona 5).
El tanque separador tiene marcado un nivel de agua máximo y mínimo permitido,
el operador debe revisar que el agua se mantenga entre estos niveles para evitar
que el agua regrese al tanque mezclador o que el butanol vaya al tanque residual.
15
La etapa de salida de agua dura aproximadamente de seis a ocho horas,
contabilizadas desde que la temperatura del tanque mezclador llega a 91°C.
Transcurrido este tiempo se toma una muestra de la resina para verificar si
cumple con las características de viscosidad y retención de sólidos necesarios
para ser aprobada.
Si la resina no cumple con las características indicadas se deja un tiempo extra
para la salida de agua y se vuelve a tomar una muestra hasta que la misma sea
aceptada.
Fig. 1.9 Tanque separador de agua y butanol
Carga de xileno
Para mejorar las características de la resina se añade xileno a través del manhole
del tanque mezclador. Para el efecto se debe enfriar el tanque mezclador hasta
60°C y una vez descargado el xileno se continúa agi tando la resina durante dos
horas después de las cuales se toma una muestra para analizar sus
características hasta que la muestra sea aceptada.
16
Fig. 1.10 Manhole del tanque mezclador MQ6
Descarga de resina
Después de añadir el xileno la temperatura del tanque mezclador baja lentamente
y cuando haya llegado hasta 50°C la resina estará l ista para ser descargada en
recipientes comerciales como tambores plásticos de 200Kg.
La descarga de la resina se la realiza a través de las válvulas manuales ubicadas
en la parte inferior del tanque mezclador (Fig. 1.1 zona 1).
Se debe almacenar el producto en sus recipientes originales cerrados en un lugar
limpio y seco a una temperatura entre 5°C y 30°C.
Fig. 1.11 Descarga de resina
Durante el proceso se revisa la temperatura del condensador (Fig. 1.12) debido a
que la temperatura de entrada no debe ser mayor de 95°C y la temperatura de
salida del condensador no debe ser mayor de 40°C, p ara que no se excedan
17
estos límites de temperatura se activan las torres de enfriamiento del tanque
mezclador MQ2 o del tanque mezclador MQ5 cuando la temperatura de entrada
es de 75°C para tener refrigeración del condensador .
Fig. 1.12 Condensador.
Fig. 1.13 Vista frontal del tanque mezclador MQ6.
18
CAPÍTULO 2
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL PROCESO
19
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL PROCESO
2.1 SISTEMA ANTIGUO DE CONTROL
2.1.1 CONTROL DEL PROCESO
Carga de butanol
La carga de butanol se realiza en dos partes. En la primera parte el operador
carga el butanol en el tanque TQ_02 en forma manual utilizando una bomba que
succiona el producto desde unos tanques contenedores. El operador mide el peso
de la cantidad de butanol depositada en el tanque TQ_02 a través del display de
peso correspondiente. Cuando el peso de butanol llega aproximadamente a 1700
kg se abren las válvulas de descarga del tanque TQ_02 (Fig. 1.1 zona 3) para que
el butanol sea ingresado dentro del tanque mezclador MQ6.
Una vez que se ha vaciado completamente el tanque TQ_02 (Fig. 1.1 zona 3) se
procede a la carga de la segunda parte de butanol que se realiza de la misma
forma que en la primera parte. Cuando el peso de butanol llega aproximadamente
a 1500 Kg es descargado hacia el tanque MQ6 a través de las válvulas de
descarga del tanque TQ_02.
El operador deposita aproximadamente 90 Kg. de butanol en el tanque TQ_01
para mezclarlo con el ácido fosfórico y formar el regulador de PH ácido que será
descargado posteriormente en el tanque mezclador MQ6 (Fig. 1.1 zona 1).
Carga de paraformaldehído
Una vez que el butanol se descargó completamente en el tanque MQ6, se
procede a la descarga del paraformaldehído que viene empacado en forma de
sacos los cuales son descargados dentro de la tolva TLV_01. Cada saco tiene un
peso de 25Kg y se depositan un total de 103 sacos. El operador realiza la
20
descarga del paraformaldehído en forma manual dentro de la tolva TLV_01 (Fig.
1.3) y una vez que termina abre la válvula de cuchilla de la tolva (por medio de
una palanca manual) para que el paraformaldehído ingrese dentro del tanque
MQ6 (Fig. 1.1 zona 1).
Agitación del tanque MQ6
Paralelamente a la carga de paraformaldehído, el operador acciona el motor del
agitador del tanque mezclador MQ6 a una velocidad de 90rpm. El agitador
permanece encendido hasta que finalice el proceso de fabricación de la resina.
Calentamiento a 70ºC
Una vez que se ha descargado completamente el paraformaldehído dentro del
tanque MQ6 se calienta el tanque hasta alcanzar los 70ºC.
El tanque mezclador MQ6 se calienta utilizando un tubo exterior (llamado tubo de
calentamiento) que se divide en tres partes llamadas camisas y que rodea al
tanque MQ6. Cuando circula vapor de agua dentro del tubo la temperatura del
tanque empieza a subir. El flujo del vapor de agua se controla con válvulas
manuales acopladas a la tubería del tanque MQ6 las que son accionadas por el
operador (Fig. 2.1).
Fig. 2.1 Circuito de calentamiento del tanque MQ6.
21
El vapor de agua se obtiene al hervir agua en un caldero industrial (Fig. 2.2) y es
enviado al tubo de calentamiento del tanque mezclador por medio de tuberías y
válvulas manuales.
Fig. 2.2 Caldero de Pinturas Cóndor.
El circuito cerrado del agua termina con un tanque de condensado en el cual se
recoge el agua líquida.
La temperatura del tanque MQ6 se observaba en un indicador luminoso, formado
por displays de 7 segmentos, que estaba conectado a un sensor RTD PT100
ubicado en la parte inferior del tanque mezclador (Fig. 2.3).
Fig. 2.3 Indicador antiguo de temperatura del tanque MQ6.
22
Toma de muestra
Una vez que se alcanzan los 70°C se mantiene esta t emperatura durante una
hora. Al transcurrir la hora se obtiene una muestra del compuesto por medio de
las válvulas manuales de toma de muestra (Fig. 1.1 zona 1) que se encuentran en
la parte inferior del tanque mezclador MQ6. La muestra sirve para verificar que la
mezcla (butanol y paraformaldehído) dentro del tanque MQ6 cumple con los
requerimientos de transparencia establecidos en el proceso. En el caso de que no
se cumpla con esta propiedad se deja agitando la mezcla a 70ºC durante un
tiempo extra, el cual es establecido por la persona encargada de supervisar el
proceso, hasta que los niveles de transparencia sean aceptables.
Carga de úrea y regulador de PH básico
Una vez que se obtiene la transparencia requerida de la mezcla dentro del tanque
MQ6 se procede a la descarga de la úrea dentro de la tolva TLV_01 (Fig. 1.3). La
úrea viene empacada en sacos, cada saco contiene 50 Kg y se descargan un total
de 33 sacos en la tolva. Cuando el operador terminó con la carga de úrea abre la
válvula de cuchilla de la tolva para que la úrea ingrese dentro del tanque MQ6
(Fig. 1.1 zona 1).
Después de terminar la descarga de úrea dentro del tanque MQ6 se le añade a la
resina el regulador de PH básico. Esto produce una reacción exotérmica dentro
del tanque que provoca un incremento de temperatura. Se deben esperar 15
minutos para que la temperatura en el tanque MQ6 se estabilice.
Calentamiento a 95ºC
Transcurridos los 15 minutos el operador calienta el tanque mezclador MQ6 hasta
llegar a los 95ºC. Para ello el operador abre nuevamente las válvulas manuales
de vapor de agua (Fig. 1.1 zona 6). La resina permanece agitándose a esta
temperatura durante un tiempo de veinte y cinco minutos.
23
Enfriamiento a 80ºC
Una vez transcurridos los veinte y cinco minutos, la resina debe ser enfriada hasta
alcanzar los 80°C, para ello las válvulas de vapor de agua (Fig. 1.1 zona 6) deben
estar cerradas y se abren las válvulas manuales de agua fría ubicadas en la parte
inferior del tanque mezclador (Fig. 1.1 zona 1) para que pueda circular el agua fría
a través del serpentín.
El agua fría proviene de un sistema de torres de enfriamiento (el cual provee de
agua fría a toda la planta de resinas) que sirve para enfriar a los tanques MQ2,
MQ5 y MQ6 (Fig. 2.4).
Fig. 2.4 Torres de enfriamiento.
Carga de regulador de PH ácido
Una vez que la temperatura del tanque MQ6 haya bajado hasta 80ºC se procede
a la descarga del regulador de PH ácido (que fue previamente almacenado en el
tanque TQ_01 en la etapa de carga de butanol) dentro del tanque mezclador
MQ6, mediante la apertura de las válvulas de accionamiento manual situadas en
la parte inferior del tanque TQ_01 (fig. 1.1 zona 2).
24
Salida de agua
Una vez que se ha descargado completamente el regulador de PH ácido dentro
del tanque MQ6 se espera un tiempo de 15 minutos para que la temperatura del
tanque MQ6 se estabilice. Después se calienta el tanque MQ6 para extraer el
agua formada por la reacción química de la resina.
Los gases que provienen del tanque mezclador van al condensador (Fig. 1.1 zona
4), en el que recuperan su fase líquida y son enviados hacia el tanque separador
(Fig. 1.1 zona 5). En este tanque el agua es separada del butanol por su
densidad, el butanol queda en la parte superior y el agua, que es más pesada, se
ubica en la parte inferior.
El butanol es regresado al tanque mezclador para continuar con la extracción de
agua, mientras que el agua (la que es producto residual de la fabricación de la
resina) es enviada a un tanque de almacenamiento a través de las válvulas de
desfogue del tanque separador (Fig. 1.1 zona 5).
La extracción de agua dura aproximadamente de seis a ocho horas, medidas
desde que la temperatura del tanque mezclador llegó a los 91ºC. Al transcurrir
este tiempo se procede a la toma de una muestra de la resina (Fig. 1.1 zona 1)
para verificar si cumple con las características de viscosidad y retención de
sólidos necesarios para ser aprobada.
Carga de xileno
El xileno se le añade a la resina a través del manhole del tanque mezclador (Fig.
1.10). Para ello se enfría el tanque mezclador hasta los 60ºC y finalizada la
descarga de xileno se continúa agitando la resina durante dos horas.
25
Descarga de la resina
Una vez que se añadió el xileno y transcurridas las dos horas, la resina esta lista
para ser envasada en recipientes comerciales como tambores plásticos de 200Kg.
La descarga de la resina se la realiza por medio de las válvulas manuales
ubicadas en la parte inferior del tanque mezclador (Fig. 1.1 zona 1).
2.1.2 MOTORES Y VÁLVULAS
Para el funcionamiento del sistema se requieren los siguientes motores:
- Un motor trifásico de inducción de 15 HP, 220 voltios, 60 Hz para mover el
agitador del tanque mezclador MQ6 (Fig. 1.1 zona 1).
- Un motor trifásico de inducción de 0.50 HP 220 voltios, 60 Hz para el
agitador del tanque TQ_01 (Fig. 1.1 zona 2).
- Un motor trifásico de inducción de 0.75 HP, 220 voltios, 60 Hz para el
agitador del tanque TQ_02 (Fig. 1.1 zona 3).
- Un motor trifásico de inducción de 10 HP, 220 voltios, 60 Hz para la bomba
de vacío del tanque MQ6 (Fig. 1.1 zona 7).
El paso de los diferentes componentes de la resina se lo controla con válvulas
manuales ubicadas en las tuberías de las instalaciones del proceso. Estas
válvulas se utilizan para las siguientes acciones:
- Carga y descarga de butanol.
- Carga y descarga del regulador de PH ácido.
- Paso de vapor de agua dentro del tubo de calentamiento.
- Paso de agua fría dentro del serpentín.
Para el ingreso de la materia prima desde la tolva TLV_01 (Fig. 1.3) hacia el
tanque MQ6 se encontraba instalada una válvula neumática tipo cuchilla de
accionamiento manual por medio de una palanca.
26
2.1.3 TANQUE MEZCLADOR MQ5
En la fábrica de Pinturas Cóndor existe un tanque similar al MQ6 conocido como
tanque MQ5 en el que se elaboran otros productos, este tanque se encuentra
ubicado en el área de resinas cerca del tanque MQ6.
En el caso del tanque mezclador MQ5 se tenía un tablero de control que trabajaba
sin luces piloto que funcionen, sin etiquetas claras o legibles y con pulsantes sin
alambrar.
Fig. 2.5 Tablero antiguo del tanque MQ5.
El sistema de control del tanque MQ5 utiliza una computadora con una interfaz
HMI elaborada en InTouch. Esta computadora está conectada a una red Modbus
de la planta por medio de un conversor RS232 / 485 ubicado en el hardware de su
tarjeta madre (main board).
2.2 NUEVO SISTEMA DE CONTROL
2.2.1 CONTROL DEL PROCESO
Las etapas que tienen que ver con la descarga de butanol, paraformaldehído,
úrea, xileno y reguladores de PH básico y ácido son ejecutadas de la misma
forma que en la sección 2.1.1. El operador se encarga de cumplir con todas estas
27
etapas y también se encarga de controlar la etapa de separación de agua de la
resina.
Estaba previsto realizar la dosificación de la materia prima mediante el diseño y la
implementación de un sistema de control de la apertura de las electro-válvulas
que regulan la cantidad de los diferentes componentes de las recetas, utilizando
galgas extensiométricas para detectar el peso de cada componente pero no se
concretó la adquisición de los equipos necesarios, razón por la que la dosificación
de la materia prima continúa siendo en forma manual, sin embargo en el
desarrollo de las interfases HMI y en el programa del PLC se consideró la
posterior instalación de los equipos requeridos.
Todas las muestras de la resina las obtiene el operador en forma manual, es decir
como se describió en la sección 2.1.1.
Para el tanque MQ6 se automatizaron las etapas de calentamiento y enfriamiento
requeridas para la fabricación de la resina úrea formaldehído.
Para el control de la temperatura del tanque mezclador MQ6 se instalaron
válvulas neumáticas en la tubería del vapor de agua y en la tubería de agua fría
(Fig. 2.6).
Para controlar el flujo de vapor de agua dentro del tubo de calentamiento se
instalaron en paralelo una válvula neumática FCV_201 y una servo-válvula
FCV_101 (Fig. 2.6).
La válvula neumática FCV_201 sirve para alcanzar un cierto valor de temperatura
en el tanque mezclador.
La servo-válvula FCV_101 sirve para regular el caudal de vapor de agua en un
lazo de histéresis, con el fin de mantener la temperatura dentro de la tolerancia
permitida del proceso (+/- 1 ºC).
28
Se instaló una válvula neumática FCV_202 en la tubería de agua fría para permitir
el paso del agua fría dentro del tubo serpentín lo que ocasiona una disminución
de la temperatura del tanque mezclador MQ6 (Fig. 2.6).
Fig. 2.6 Nuevo circuito del tanque MQ6.
Para obtener las lecturas de temperatura del tanque mezclador MQ6 y del
condensador se instalaron cuatro sensores RTD PT100 acondicionados con
transmisores de instrumentación. La ubicación de estos sensores se detalla más
adelante en la sección 2.2.5.
El PLC monitorea la temperatura a la entrada y a la salida del condensador,
permite registrar las diferentes alarmas que ocurren durante el proceso como
sobre-temperatura en el tanque MQ6 y en el condensador, fallas en los sensores
de temperatura, falla en la apertura de las electro-válvulas, falla de las fuentes del
sistema de control, estado de los pulsantes de emergencia y protecciones de los
motores.
2.2.2 MODO DE OPERACIÓN
Para el control del tanque MQ6 se diseñó e implementó un circuito electro-
mecánico que es independiente del funcionamiento del PLC. Este circuito permite
VÁLVULA DE AGUAFRÍA FCV_202
SERVO_VÁLVULAFCV_101VÁLVULA DE VAPOR
DE AGUA FCV_201
TANQUE MEZCLADOR MQ6
29
arrancar a los motores mediante pulsantes start / stop pero no tiene control sobre
las válvulas neumáticas.
Para realizar la detección del modo de operación se utiliza un contacto NA
(normalmente abierto) de un relé auxiliar (KAUX), el cual se energiza cuando el
selector S1 del tablero TC_02 está en la posición semi-automático y se apaga
cuando el selector está en la posición manual (Fig. 2.7).
Fig. 2.7 Circuito de control del tanque MQ6.
PE
21 2
PE
11 2
PB
1.1
1 2
PB
1.2
1 2KM
213 14
KM
2
A1
A2
Q213 14
PB
2.1
1 2
PB
2.2
1 2KM
313 14
KM
3
A1
A2
Q313 14
PB
3.1
1 2
PB
3.2
1 2KM
413 14
KM
4
A1
A2
Q413 14
PB
4.1
1 2
PB
4.2
1 2KM
513 14
KM
5
A1
A2
Q513 14
KA
2
11 14
KA
1K
A3
KA
4K
A6
KA
7K
A8
11 14
11 14
11 14
11 14
11 14
11 14
KY
1
A1
A2
A1
A2
KY
2
A1
A2
KY
3
S1
KM
3
11 14
KM
2K
M4
KM
5
11 14
11 14
11 14
X1
X2
H1
X1
X2
H2
X1
X2
H3
X1
X2
H4
120V
AC
- 6
0 H
z
NE
UT
RO
KA
UXA
1
A2
MO
DO
MA
NU
AL
PO
R M
ED
IO D
E IN
TE
RF
AS
ES
HM
I Y M
OD
O S
EM
IAU
TO
MÁ
TIC
OM
OD
O M
AN
UA
L C
ON
PU
LSA
NT
ES
LUC
ES
PIL
OT
O
21 22
KA
1
21 22
KA
2
21 22
KA
3
21 22
KA
4
30
Modo manual
Este modo de operación trabaja con pulsantes ubicados en el tablero de control
TC_02, los cuales pueden ser accionados por el operador y comandan los
diferentes motores durante el proceso. Este modo es especialmente eficaz para
realizar el mantenimiento del equipo.
El operador es responsable de la carga de materia prima y del cumplimiento de
todas las etapas requeridas para la fabricación de la resina.
Cada uno de los siguientes motores dispone de un pulsante de marcha (start),
uno de paro (stop) y un indicador luminoso:
- Bomba de vacío.
- Agitador de tanque TQ_01.
- Agitador de tanque TQ_02.
- Agitador del tanque mezclador MQ6.
Se encuentran instalados y cableados los pulsantes (Start y Stop) de la bomba de
carga 1 (BC1) para su futura instalación cuando la planta de Pinturas Cóndor lo
considere necesario.
En este modo de operación no es posible accionar las electro-válvulas desde el
tablero:
- WCV_202 (válvula de descarga de butanol).
- FCV_201 (válvula de vapor de agua).
- FCV_202 (válvula de agua fría).
- FCV_101 (servo-válvula proporcional).
Por este motivo al colocar el selector del modo de operación (ubicado en el
tablero TC_02) en la posición MANUAL las electro-válvulas permanecerán
abiertas para poder llevar a cabo el proceso. En este caso las etapas de
31
calentamiento y enfriamiento son controladas por el operador a través de las
válvulas manuales.
Modo manual desde las interfases HMI
Este modo de operación trabaja cuando el selector del tablero TC_02 se
encuentra en la posición semi-automático, dispone de botones de mando en la
interfaz HMI y en la terminal de operador para operar los diferentes motores y
válvulas descritas anteriormente.
Para realizar el calentamiento, el operador puede accionar la válvula proporcional
ingresando el porcentaje de apertura necesario en las interfaces HMI.
El operador es responsable de la carga de materia prima, la refrigeración del
tanque mezclador MQ6 y del condensador y es responsable del cumplimiento de
todas las etapas para la fabricación de la resina.
Por medio del computador se puede variar la velocidad del agitador del tanque
MQ6 en el caso de que sea requerido para la elaboración de una nueva receta
acorde a las necesidades de la planta de Pinturas Cóndor.
Modo semi-automático
Durante el proceso el PLC se encarga de realizar el control de temperatura del
tanque MQ6 para las etapas de calentamiento ó enfriamiento, el accionamiento
del agitador de este tanque y de mostrar en la terminal de operador o en la
interfaz HMI la información del proceso de fabricación de la resina.
La carga de materia prima, la etapa de separación de agua y las respectivas
tomas de muestras son de responsabilidad del operador.
32
2.2.3 MOTORES
El nuevo sistema utiliza los mismos motores descritos en la sección 2.1.2, sin
embargo el control de los mismos se lo realiza con el PLC encargado de la
automatización y con los pulsantes respectivos.
Para el caso del motor del tanque mezclador MQ6 se le añadió un variador de
velocidad que sirve para proporcionar un arranque suave al motor, controlar la
velocidad del agitador y monitorear su velocidad.
Variador de velocidad
El variador de velocidad utilizado es de marca WEG tipo CFW-09. Tiene una
entrada análoga de 0-20 [mA], una salida análoga de 4-20 [mA] y dos salidas
digitales RL1 y RL2 que se utilizan para encender la luz piloto del agitador y para
obtener el status de activación del motor.
Fig. 2.8 VV del tanque mezclador MQ6.
2.2.4 VÁLVULAS
Para el control del flujo de vapor de agua y agua fría hacia el tanque MQ6 y el
flujo de butanol al tanque TQ_02, se mantienen las válvulas de accionamiento
manual y se añadieron válvulas neumáticas, las mismas que son controladas con
33
el PLC y pueden ser operadas desde la computadora o desde la terminal del
operador.
Para controlar el flujo de vapor de agua se implementaron una válvula neumática
on/off (FCV_201) y una servo-válvula (FCV_101) con la que se modula la
temperatura durante el proceso.
Para controlar el flujo de agua fría se implementó una válvula neumática on/off
(FCV_202).
Para controlar el flujo del butanol hacia el tanque TQ_02 se implementó una
válvula neumática on/off (WCV_202).
Válvulas neumáticas
Cada válvula neumática posee dos fines de carrera que sirven para indicar su
estado (abierto ó cerrado), el cual es verificado por un indicador mecánico de
color amarillo.
Fig. 2.9 Válvula neumática.
Para mejorar la calidad del aire y prolongar la vida útil de las válvulas neumáticas
se colocaron en la entrada de la toma de aire dos filtros, uno que elimina agua y
uno que elimina polvo.
34
Fig. 2.10 Filtros de aire.
Servo-válvula
La servo-válvula sirve para regular el flujo de vapor de agua que pasa por el tubo
de calentamiento, tiene una entrada análoga de 4 a 20 [mA] y una toma de aire
cuya presión máxima es de 6 bares. El porcentaje de apertura de la servo-válvula
es proporcional a la magnitud de la entrada análoga.
Fig. 2.11 Servo-válvula.
2.2.5 TRANSMISORES DE TEMPERATURA
Se instalaron cuatro sensores de temperatura RTD PT100 (ubicados en el tanque
MQ6 y en el condensador) cuya señal resistiva es acondicionada a una señal de
corriente (4-20 [mA]) por los cuatro transmisores. Cada transmisor es de marca
MOORE INDUSTRIES, modelo RIY y tiene un display LCD que permite efectuar
una lectura directa de temperatura.
35
Fig. 2.12 Transmisores de temperatura.
La ubicación e identificación de los transmisores indicadores de temperatura
(TIT’s) es la siguiente:
- Entrada del condensador: TIT 101 (Fig. 1.1 zona 4).
- Salida del condensador: TIT102 (Fig. 1.1 zona 4).
- Sensor superior del tanque MQ6: TIT201 (Fig. 1.1 zona 1).
- Sensor inferior del tanque MQ6: TIT202 (Fig. 1.1 zona 1).
2.2.6 MEDIDOR DE ENERGÍA
En el tablero de control TC_01 se instaló un medidor de energía PM810 que sirve
para observar el consumo de energía en Kw/h, los voltajes de línea, voltaje fase-
neutro, corrientes de línea, frecuencia, factor de potencia de la red de distribución
etc.
Fig. 2.13 Medidor de energía.
36
2.2.7 TANQUE MEZCLADOR MQ5
El tablero antiguo para el control del tanque MQ5 fue cambiado totalmente: su
cableado interno, pulsantes de arranque y de paro, borneras de fuerza y de
control, luces piloto, su etiquetación e imagen exterior.
Fig. 2.14 Tablero nuevo para el tanque MQ5 y MQ6.
En el tablero de control antiguo del tanque MQ5 estaba expuesto al aire libre el
display de un variador de velocidad. El display sirve para que el operador lea la
frecuencia del variador, la misma que se controla con una perilla exterior. Ahora
este display se encuentra dentro del nuevo tablero y para evitar que el operador
abra las puertas del nuevo tablero cada vez que requiera ver este display se
incorporó en la terminal de operador una pantalla en la cual se puede obtener la
lectura de frecuencia entregada por el display.
Fig. 2.15 Variador en tablero antiguo de tanque MQ5.
37
CAPÍTULO 3
DISEÑO DEL CIRCUITO DE FUERZA Y DEL
SISTEMA DE CONTROL
38
DISEÑO DEL CIRCUITO DE FUERZA Y DEL SISTEMA DE CONTROL
3.1 REQUERIMIENTOS DEL DISEÑO
La acometida del sistema debe estar ubicada en un sitio que ofrezca las mayores
facilidades para la llegada de la alimentación, la lectura de los medidores y que
otorgue las mejores condiciones de operación y visibilidad del equipo.
Los materiales eléctricos empleados para este proyecto deben ser resistentes a la
oxidación de los agentes químicos que existen en el medio ambiente.
Los tableros eléctricos deben ser impermeables y sellados para evitar el ingreso
del agua lluvia a su interior. Por requerimiento de la planta de Pinturas Cóndor el
tablero de control TC_02 es de acero inoxidable para hacerlo más resistente a los
agentes corrosivos (gases y vapores) que se encuentran en el medio ambiente.
La tubería de la instalación eléctrica debe ser resistente a explosiones y derrames
de agentes químicos.
El sistema debe asegurar las elementales condiciones eléctricas de seguridad
para que el personal pueda operar el equipo de una forma segura y responsable.
La identificación de las conexiones eléctricas entre los tableros y equipos debe
ser clara y legible para la persona que realiza el mantenimiento del equipo.
39
3.2 CIRCUITO DE FUERZA
Diagrama unifilar
El circuito de fuerza comprende la alimentación, protección y conexión de los
motores de: la bomba de vacío, del tanque TQ_01, del tanque TQ_02 y del tanque
MQ6. Las características de estos motores son las siguientes:
Motor P [W] Voltaje [V] fp n [%] Inominal [A] Tanque TQ_01 337 220 trifásico 0.74 88.6 1.91 Tanque TQ_02 559.5 220 0.8 78 3.15 Bomba de vacío 7460 220 0.84 88 18.8 Tanque MQ6 11190 220 0.85 88.5 39.3
Tabla 3.1 Características de los motores.
Para realizar el control del proceso de fabricación de la resina de úrea-
formaldehído al circuito de fuerza existente se le agregó lo siguiente:
Para el control de la velocidad del agitador del tanque MQ6 se incluyó un variador
de velocidad con su respectiva protección, además se instaló un transformador de
control de 220Vac / 110Vac para suministrar la alimentación a los dos tableros de
control TC_01 y TC_02.
En el tablero TC_01 se instaló un medidor de energía para poder visualizar el
consumo de energía, el voltaje de alimentación, la corriente, la potencia, el factor
de potencia, etc como se explicó en el capítulo 2 sección 2.2.6.
40
Fig. 3.1 Diagrama unifilar del circuito de fuerza.
Q0
KM
2
M2
3
KM
3
M3
3
KM
4
M4
3M
63A
1
(F-F
)(F
-F)
(F-N
)(F
-N)
(3F
)
(3F
)
(3F
)
(3F
)
(3F
)
(3F
)
(3F
)
(3F
)
(F-F
)
(F-N
)
(F-N
)
(3F
-N)
(3F
-N)
220V
- 6
0 H
z
220V
- 6
0 H
z
120V
- 6
0 H
z
ILUMINACION 2TANQUE MQ6
BALANZA 1(WIT 201)
MEDIDOR DE ENERGÍA
CIRCUITO DE CONTROL
MOTOR DEL TANQUE TQ_01
MOTOR DEL TANQUE MQ6
MOTOR DEL TANQUE TQ_02
MOTOR DE LA BOMBA DE VACIO
Q50
Q51
Q52
Q53
Q01
Q11
Q02
Q03
Q04
Q07
(3F
)
Q12
VA
RIA
DO
RD
EV
ELO
CID
AD
2A
2A2A
2A2A
1A2A
2A2A
2A2A
2A
A4
CIR
CU
ITE
RÍA
AN
TIG
UA
CIR
CU
ITE
RÍA
NU
EV
A
CO
DIG
O
ILUMINACION 1TANQUE MQ6
BALANZA 2(WIT 202)
41
Variador de velocidad
El variador de velocidad para el control del motor del agitador del tanque MQ6
debe cumplir con las siguientes características:
DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS Tipo motor Trifásico de inducción Potencia nominal motor 15HP Rango de velocidad 500-1750 rpm Voltaje nominal 220V Característica torque Lineal con la velocidad Régimen de operación Permanente Reductor de velocidad Ratio de 17,08 Condiciones ambientales Industrial corrosivo Refrigeración del equipo Circulación de aire por ventilador Altura de montaje del equipo referente al nivel del mar 2500 m
Tabla 3.2 Variador de velocidad.
Para el dimensionamiento del variador de velocidad se tomaron en cuenta los
siguientes criterios:
La potencia aparente del variador de velocidad se calcula con los datos de placa
del motor según la siguiente fórmula 1) :
1000
**3 nomnomKVA
IVP = [3.1]
1000
3.39*220*3 AVPKVA =
KVAPKVA 97.14=
1) Tomado del capítulo 9 “Características Técnicas” del manual del convertido de frecuencia CWF-09 del mes de abril de 2004, pág. 270 - 271.
42
La altitud óptima de montaje del variador de velocidad es de 1000m sobre el nivel
del mar y puede ser instalado hasta los 4000m considerando que pierde el 10%
de potencia por cada 1000m de altura.
La planta de Pinturas Cóndor se encuentra a 2500 m sobre el nivel del mar por lo
que el variador de velocidad pierde el 30% de su potencia aparente:
100
30*KVAperdida PP = [3.2]
100
30*97.14 KVAPperdida =
KVAPperdida 49.4=
La potencia total de diseño será la suma de la potencia del variador de velocidad
más las pérdidas sufridas por la altura:
perdidaKVATOTAL PPP += [3.3]
KVAKVAPTOTAL 49.497.14 +=
KVAPTOTAL 46.19=
Despejando la corriente nominal de la fórmula [3.1] tenemos la corriente nominal
del variador de velocidad:
nom
TOTALVV
V
PI
*3
*1000= [3.4]
V
KVAIVV
220*3
46.19*1000=
AIVV 06.51=
La corriente mínima de diseño del variador será de 51.06 A, pero en la planta de
Pinturas Cóndor ya se encontraba instalado el variador de la serie
CFW090045T2223PSZ que tiene las siguientes características:
43
REFERENCIA CFW09 Tensión Trifásica 220-230V Frecuencia 50/60Hz
Alimentación
Cos Ø > 0.98 Voltaje 220 Vrms Corriente 45 A
Salida a motor
Potencia 15 HP Grado de protección
Standard Nema 1/ IP20 Nema 4x/ IP56 (modelos hasta 10CV) Escalar (tensión impuesta V/F) Vectorial sensorless
Tipos de control
Vectorial con encoger 0-204Hz en control escalar y vectorial con encoder (para motor de 60Hz)
Variación de frecuencia
0-170Hz en control escalar y vectorial con encoder (para motor de 50Hz) 150% durante 60 seg. a cada 10 min (1.5*Inom – CT) Sobrecarga admisible
180% durante 1 seg. a cada 10 min (1.8*Inom - CT)
Control
Rendimiento Mayor que 97% 2 entradas configurables: 0-10V, 0-20mA, 4-20mA Analógicas 1 entrada aislada configurable: 0-10V, 0-20mA, 4-20mA
Entradas
Digitales 6 entradas aisladas de 24Vdc programables Analógicas 2 salidas programables de 11 bits (0-10V)
2 salidas programables, contactos NO/NC, 240Vac, 1A Salidas
Relé 1 salida programable, contacto NO, 240Vac, 1A
Tabla 3.3 Características de variador de velocidad.
Como se puede observar la corriente máxima del variador es de 45 A y no cumple
con la estimación de corriente obtenida de 51.06 A, sin embargo el variador
instalado se encuentra operando sin reportar problemas debido a que el motor del
tanque MQ6 no opera a las condiciones nominales por lo que no desarrolla la
máxima potencia al eje.
Con la velocidad del motor de 1530 rpm se procedió a medir la corriente por fase
del motor sin carga acoplada, excepto el moto-reductor, obteniendo los siguientes
valores:
Ifase1 = 18.8 A
Ifase2 = 19.0 A
Ifase3 = 18.9 A
44
Ya que la corriente nominal del motor es de 39.3 A, éstos valores representan
aproximadamente el 48% de la corriente nominal, por lo tanto en vacío el motor
trabaja al 48% de su capacidad nominal.
A continuación se midió a la misma velocidad (1530 rpm) la corriente por fase del
motor con el tanque MQ6 lleno hasta su máxima capacidad, con acople del moto-
reductor y se obtuvieron los siguientes valores:
Ifase1 = 21.0 A
Ifase2 = 21.7 A
Ifase3 = 21.1 A
Estos valores representan aproximadamente el 55% de la corriente nominal, por
lo tanto con el tanque MQ6 a su máxima capacidad, el motor opera al 55% de su
capacidad nominal.
Luego se incrementó la velocidad del motor hasta alcanzar su velocidad nominal
que es de 1755 rpm y se midió la corriente por fase del motor con el tanque MQ6
a su máxima capacidad, obteniendo los siguientes valores:
Ifase1 = 24.1 A
Ifase2 = 24.8 A
Ifase3 = 24.8 A
Estos valores representan aproximadamente el 63% de la corriente nominal, por
lo tanto con el tanque MQ6 a su máxima capacidad y a la velocidad nominal, el
motor opera al 63% de su capacidad nominal.
De acuerdo a este análisis el motor trabaja con corrientes inferiores a la corriente
nominal por lo tanto está sobredimensionado y por esta razón el variador
instalado (con capacidad de 45 A) puede entregar la potencia necesaria para la
operación del motor.
45
Debido a que en el proceso el motor no trabaja a velocidad nominal, su
refrigeración interna (a través de un ventilador acoplado al eje) es deficiente. Esto
produce un incremento indeseable de temperatura en el motor.
3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO DE CONTROL
3.3.1 HARDWARE DE CONTROL
Diagrama unifilar
El circuito de control utilizado para la automatización del tanque MQ6 se distribuye
en los tableros TC_01 y TC_02 y comprende la alimentación, protección y
conexión de diferentes equipos como: fuentes de alimentación de 24 Vdc, PLC,
medidor de energía, iluminación interior de cada tablero, regleta de alimentación
de 110 Vac, baliza, etc.
En el tablero de control TC_01 se encuentra distribuida la parte de fuerza en el
lado derecho y la parte de control en el lado izquierdo. En este tablero se halla
una extensión del PLC que consiste en un rack con módulos de salidas digitales y
análogas.
En el tablero de control TC_02 se encuentra solamente circuitería de control. El
rack que contiene al PLC se ubica en este tablero. El PLC se comunica con el
rack del tablero TC_01 por medio de un cable de extensión llamado TSX
CBY300K.
46
Fig. 3.2 Diagrama unifilar del circuito de control.
Q0
RACK DEL TABLERO TC_01
MEDIDOR DE ENERGÍA( A4)
LUCES PILOTO DELOS AGITADORES
LUZ INTERIOR DELTABLERO TC_01 (H22)
REGLETA DETOMACORRIENTES (RG2)
FP
TELEFAST 1
TELEFAST 2
RESERVA
Q14
Q15
Q16
Q19
Q20
Q21
Q22
Q23
Q01
Q02
Q03
Q05
Q06
Q16
FUENTE DEL PLC ENEL TABLERO TC_02
BALIZA
LUZ INTERIOR DELTABLERO TC_02 (H21)
REGLETA DETOMACORRIENTES (RG1)
RESERVA
Q08
Q09
TERMINAL DE OPERADOR
ENTRADAS ANÁLOGAS 1
ENTRADAS ANÁLOGAS 2
Q13 4A
2A
2A1A
1A1A
2A1A
2A1A
1A2A
1A2A
3A3A
1A1A
RESERVA
Q27 1A
Q24 1A
Q25 1A
Q26 1A
1A1A
1AQ
13 1AQ
14 1AQ
15 1AQ
10Q
11Q
12
RESERVA
RESERVA
RESERVA
TELEFAST 1
TELEFAST 2
FP
47
Dimensionamiento de protecciones
Para determinar la protección de cada equipo utilizado para el control del tanque
MQ6 se obtuvo el valor de corriente que puede soportar cada equipo.
Ejemplo de cálculo para la protección de la alimentación de la fuente de 24Vdc:
AIV
WI
V
PI
64.0110
70
=
=
=
Ejemplo de cálculo para la protección de los circuitos que alimenta la fuente de
24Vdc:
AIV
WI
V
PI
92.224
70
=
=
=
Tablero de control TC_01
Breaker Descripción Voltaje Corriente # de polos
Q13 Protección principal 110 Vac 4 A 2 Q14 Fuente de 24 Vdc FP1 110 Vac 2 A 1 Q15 Fuente de PLC 110 Vac 1 A 1 Q16 Medidor de energía 110 Vac 1 A 1 Q17 Salidas digitales 110 Vac 3 A 1 Q18 Contactos de relé 110 Vac 2 A 1 Q19 Indicadores de motores 110 Vac 1 A 1 Q20 Iluminación interior 110 Vac 2 A 1 Q21 Regleta de alimentación 110 Vac 1 A 1 Q27 Reserva 110 Vac 2 A 1 Q22 Protección principal 24 Vdc 24 Vdc 3A 2 Q23 Telefast 1 24 Vdc 1A 1 Q24 Telefast 2 24 Vdc 1A 1 Q25 Reserva 24 Vdc 1A 1 Q26 Reserva 24 Vdc 1A 1 Q27 Reserva 24 Vdc 1A 1
Tabla 3.4 Protecciones del tablero TC_01.
48
Tablero de control TC_02
Breaker Descripción Voltaje Corriente # de polos
Q0 Protección principal 110 Vac 4 A 2 Q1 Fuente de 24 Vdc FP2 110 Vac 2 A 1 Q2 Fuente de PLC 110 Vac 1 A 1 Q3 Baliza 110 Vac 1 A 1 Q4 Salidas digitales 110 Vac 1 A 1 Q5 Iluminación interior 110 Vac 2 A 1 Q6 Regleta de alimentación 110 Vac 1 A 1 Q7 Reserva 110 Vac 1 A 1 Q16 Reserva 110 Vac 2 A 1 Q8 Protección principal 24 Vdc 24 Vdc 3A 2 Q9 Telefast 1 24 Vdc 1A 1 Q10 Telefast 2 24 Vdc 1A 1 Q11 Terminal de operador 24 Vdc 1A 1 Q12 Entradas análogas 1 24 Vdc 1A 1 Q13 Entradas análogas 2 24 Vdc 1A 1 Q14 Reserva 24 Vdc 1A 1 Q15 Reserva 24 Vdc 1A 1
Tabla 3.5 Protecciones del tablero TC_02.
Relés de interfaces
Los relés de interfaces se utilizan para proteger las salidas discretas del PLC y
para realizar el bloqueo entre el modo manual y semi-automático.
Fig. 3.3 Diagrama de conexión de los relés de interfaces
M3
U V W
A1
A2
RELEPLC
1
2
14
11
A1
A2
CONTACTOR
3 51
4 62
3L21L1 5L3
4T22T1 6T3
Q
L2L1 L3
220V AC60Hz
120V AC60Hz
+
49
Las características de los relés de interfaces se describen a continuación:
DESCRIPCION ESPECIFICACION Voltaje nominal de la bobina 120V AC 60 Hz Corriente Máx bobina 2 A Contactos 1 NA y 1 NC Voltaje contactos 250 V AC Corriente máx contactos 8 A Extinción de arco En seco
Tabla 3.6 Relés de interfaces.
Dimensionamiento del transformador de control
El transformador permite aislar el circuito de fuerza del circuito de control y
obtener un voltaje reducido a 110Vac, que es el voltaje de alimentación para los
dos tableros.
Para dimensionar el transformador de control se considera la carga total instalada
en cada tablero y se la multiplica por el respectivo factor de demanda previsto
para cada equipo.
Carga del tablero TC_01
CARGA INSTALADA DEL TABLERO TC_01
CARGA INSTALADA [W] FD [%]
CARGA TOTAL [W]
Fuente de 24V DC 70 100 70 Fuente del rack del tablero TC_01 26 100 26 Medidor de energía 10 100 10 Bobinas de relés de interfase 9 50 4,5 Luces piloto 500 50 250 Luz interior tablero TC_01 100 10 10 Regleta de tomacorrientes 100 10 10 Subtotal de carga 380,5
Tabla 3.7 Carga del tablero TC_01.
50
Carga del tablero TC_02
CARGA INSTALADA DEL TABLERO TC_02
CARGA INSTALADA [W] FD [%]
CARGA TOTAL [W]
Fuente de 24V DC 70 100 70 Fuente del rack del tablero TC_02 26 100 26 Baliza 100 50 50 Bobinas de relés de interfase 7 50 3,5 Luz interior tablero TC_01 100 10 10 Regleta de tomacorrientes 100 10 10 Subtotal de carga 169,5
Tabla 3.8 Carga del tablero TC_02.
Capacidad del transformador:
WP
WWP
PPP TCTC
550
5.1695.38002_01_
=+=
+=
Considerando 0.8 como el factor de potencia de la carga total se determina la
potencia aparente del transformador:
VAS
WS
PS
5.6878.0
550
cos
=
=
=φ
Se escogió un transformador monofásico de 750 [VA], voltaje en primario: 220V,
voltaje en el secundario: 110V y relación de transformación 2:1.
Fig. 3.4 Transformador de control.
51
Válvulas neumáticas
Para realizar el calentamiento y enfriamiento del tanque MQ6 se reemplazaron las
válvulas manuales de vapor de agua y de agua fría por válvulas con
accionamiento neumático (Fig. 1.1 zona 1 y zona 6) conocidas como T4CO F190
y que son para una tubería de 3”.
En el caso del tanque TQ_02, se instaló una válvula neumática para el paso de
butanol hacia el tanque, esta válvula es conocida como T4CO F190 y es para
tubería de 2”.
Cada una de las válvulas para el paso de vapor de agua, agua fría y butanol
requieren de un accionamiento de tipo neumático, el cual es de marca Milwaukee
de las series MC. Debido a que la válvula para el paso de butanol es de diferente
diámetro se utilizó un actuador neumático MC5, mientras que para las válvulas de
vapor de agua y de agua fría se utilizó un actuador neumático MC10. Este tipo de
actuadores están diseñados para operar con rangos de presión de 20 a 150 PSI.
Fig. 3.5 Válvula con actuador neumático MC10.
En el actuador se instaló un switch mecánico de marca Milwaukee tipo AAEAA-
211110 que permite obtener el estado de la válvula (abierta/cerrada) a través de
dos contactos normalmente abiertos que operan a 110 Vac y 10A.
52
Para controlar el paso de aire desde la toma principal hacia los actuadores
neumáticos se utilizó las válvulas de solenoide o electroválvulas MCEV1 NAMUR,
las cuales son de tipo distribuidoras de cinco vías y dos posiciones con retorno
automático por muelle y accionamiento electro-mecánico.
Fig. 3.6 Válvula neumática 5/2.
En el puerto 1 de cada electro-válvula se conecta la alimentación de aire, los
puertos 3 y 5 son puertos de escape, los cuales pueden ser equipados con
silenciadores o con controles de velocidad para el actuador, los puertos A y B son
puertos de entrada del actuador. En la posición normal de operación el aire va
desde el puerto 1 al puerto B. Durante la activación del solenoide el flujo será
desde el puerto 1 al puerto A.
Fig. 3.7 Puertos de la electro-válvula de distribución 5/2.
Las características de las electro-válvulas MCEV1 NAMUR se describen en la
siguiente tabla:
Referencia Electro-válvula MCEV1 NAMUR Voltaje nominal 110 VAC +/- 10% Dimensiones de los puertos Puerto 1 = 1/4" NPT (Puertos 3 y 5 = 1/8") Potencia 60 Hz AC en 3.3 W Rango de presión Min:29 psi / Max:145 psi
Tabla 3.9 Características de las electro-válvulas.
53
Estas válvulas de solenoide son diseñadas para ser instaladas directamente en
los actuadores neumáticos, pero debido a que se tienen tres electro-válvulas y
cada una requiere borneras para la señal eléctrica que las comanda (110Vac) se
decidió integrarlas en un panel neumático, desde el cual se suministra el aire con
una presión de 6 bares para los tres actuadores neumáticos.
Fig. 3.8 Electro-válvulas en panel neumático.
Para el caso de la tolva TLV_01 se encontraba instalada una válvula neumática
de cuchilla para la descarga de materia prima en el tanque MQ6, la cual es de
marca Orbinox modelo TL y es accionada manualmente a través de una palanca.
Fig. 3.9Válvula WCV_203 para tolva TLV_01.
54
Válvula proporcional
Esta válvula fue instalada en paralelo a la válvula neumática de vapor de agua
descrita anteriormente, la función que cumple es la de modular el caudal de vapor
de agua que circula a través del tubo de calentamiento para mantener la
temperatura del tanque MQ6 en un determinado valor.
Se instaló la válvula de control de paso recto de marca Samson conocida como
V2001-P tipo 3321 acorde al diámetro de la tubería que es de 2” y con bridas
DN50.
Las características de la válvula V2001-P son las siguientes:
Referencia Válvula neumática V2001-P Material Acero al carbono fundido Presión nominal PN 16 - 25 – 40 Margen de temperatura -10 a 220°C Material de empaques Anillos en v de PTFE con carbón; resorte WN 1.4310 Junta del cuerpo Grafito – metal Brida DN50 Tipo de montaje Cualquier posición (de acuerdo al tipo de accionamiento es
horizontal) Peso 18.7 Kg.
Tabla 3.10 Características de la válvula V2001-P.
Para controlar la apertura o cierre de la servo-válvula se requiere de un actuador
eléctrico conocido como posicionador, el cual es acoplado directamente en la
servo-válvula de acuerdo a las normas del manual de instalación (ver anexo 4).
El posicionador utilizado es de marca SAMSON (MC22S4) y tipo 3730-1 y permite
variar la posición del vástago de la servo-válvula en un porcentaje de 0 a 100%
que es proporcional a una señal de corriente 4-20mA enviada desde el PLC.
Las características del posicionador 3730-1 se muestran en la siguiente tabla:
55
REFERENCIA SAMSON 3730-1 Variable de referencia Rango de señal de 4-20mA. Configurable de 4-11.9mA y
de 12.1-20mA. Corriente máxima permitida de 100mA
Corriente mínima de entrada 3.7mA Impedancia de carga ≤ 6 voltios (corresponde a 300Ω a 20mA) Alimentación de aire Presión de alimentación entre 1.4-6 bares. Presión de aire de salida 0 bares limitada a 2.4 bares Porcentaje de histéresis ≤ 1% Sensibilidad ≤ 0.1% Consumo de aire en estado de reposo
Independiente de la presión de entrada aprox 110 inch3/hora
Temperatura de ambiente permisible
De -20 a 80°C
Grado de protección IP66 / NEMA 4X Peso Aproximadamente 1 Kg Voltaje de operación Acorde a la entrada del PLC, potencia máxima de 400mW
Tabla 3.11 Características del posicionador 3730-1.
Fig. 3.10 servo-válvula con posicionador.
Cálculo del consumo de aire de las válvulas
Para determinar el consumo de aire del sistema neumático en un día se estimaron
los ciclos de operación de las válvulas neumáticas como:
Servo-válvula para control de vapor de agua (FCV_101): 2 ciclos
Electro-válvula para control de vapor de agua (FCV_201): 10 ciclos
Electro-válvula para control de agua fría (FCV_202): 2 ciclos
Electro-válvula para control de butanol (WCV_202): 2 ciclos
Válvula para tolva (WCV_203): 5 ciclos
56
Los actuadores neumáticos utilizados son de marca MILWAUKEE y modelo MC5
y MC10 como se explicó anteriormente. Para conocer el consumo de aire de los
actuadores en cada ciclo se utiliza la siguiente tabla suministrada por el
fabricante:
Tabla 3.11 Consumo de aire en inch3/ciclo (open/close).
FCV_101: MC10: 67.1 inch3 .
FCV_201: MC10: 67.1 inch3 .
FCV_202: MC10: 67.1 inch3 .
WCV_202: MC5: 36.6 inch3 .
WCV_203: 135 inch3 .
El volumen de aire comprimido requerido para la operación de las válvulas
neumáticas del tanque MQ6 es el siguiente:
utolitrosVaireutos
hora
horas
dia
dia
litrosVaire
dialitrosVaire
diacm
litrocmVaire
diarioscmVaire
inch
cmxinchVaire
ciclosciclo
inchciclos
ciclo
inchciclos
ciclo
inchciclos
ciclo
inchciclos
ciclo
inchVaire
min/01920.0min60
1*
24
1*
66.27
/66.27
/1000
1*27655
27655
1
54.26.1687
5*1
1352*1
6.362*1
1.6710*1
1.672*1
1.67
33
3
33
33333
=
=
=
=
=
=
+
+
+
+
=
57
El volumen de aire en condiciones normales de 1 atmósfera y 25°C es:
( ) ( ) ( )
min/0047.02
min60
1*
24
1*
1
28.3*
100
1*
1
1000*
62.1932
/62.1932
2*1/66.27*7
2*21*1
3
333
piesV
hora
horas
dia
m
pies
cm
m
litro
cm
dia
litrosV
dialitrosV
Vbaresdialitrosbares
VPVP
=
=
==
=
En la planta de Pinturas Cóndor se encuentran instalados tres compresores: uno
de 77 pies3/min y dos de 190 pies3/min, lo que nos da una capacidad total de 457
pies3/min y la cantidad de aire que se requiere para el control del tanque MQ6 es
de 0.0047 pies3/min, lo cual representa el 0.001% de la capacidad total instalada,
por lo que no fue necesario implementar un nuevo compresor.
Los actuadores neumáticos (capítulo 3 sección 3.3.1) tienen dos tomas de aire de
1/8” en donde se conectan las mangueras provenientes de las electro-válvulas
distribuidoras.
Para determinar el caudal máximo se necesita conocer la presión de aire (de
operación) que es de 6.3 bares y el diámetro de las mangueras que es de1/8”,
con estos datos se obtiene que el caudal máximo es de 93 litros/minuto de aire
libre para mangueras no superiores a 15 metros de acuerdo a la siguiente tabla:
Tabla 3.12 Caudal máximo recomendado.
58
En base a la curva de pérdidas de carga en función de la presión de trabajo y del
caudal de aire libre se determina que las pérdidas por caídas de presión en
Kg/cm2 son de 0.0225 por cada diez metros de manguera.
Fig. 3.11 Curva de pérdidas de carga.
3.3.2 DESCRIPCION DEL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
El controlador lógico programable utilizado pertenece a la familia Telemecanique,
es de marca PREMIUM y el software para su programación es conocido como
UNITY PRO.
Este controlador cuenta con protección IP20 que le permite ser instalado sin
envoltura en salas de control de acceso reservado que no contengan máquinas y
en donde no se genere polvo. En caso de no ser así, los autómatas Premium se
deben colocar con las envolturas de protección mínima IP54.
59
El PLC Premium opera en conjunto con los siguientes módulos y dispositivos:
Racks
Los diferentes módulos utilizados como: módulos de alimentación, procesador,
entradas y salidas discretas/analógicas se reparten en dos racks extensibles de
ocho posiciones conectados al bus-X o bus de campo, cuya longitud máxima es
de 100 metros.
El primer rack instalado en el tablero de control TC_02 contiene el CPU y debido a
que el segundo rack instalado en el tablero TC_01 no contiene un módulo de
procesador, se trata de una sola estación del controlador repartida entre dos
racks.
Fig. 3.12 Racks extensibles.
Los racks TSX RKY son el elemento básico de los controladores Premium, ya que
permiten fijar el conjunto de módulos en una estación del controlador.
Se dispone de dos familias de racks:
- Racks estándar : permiten crear una estación del autómata limitada a un
solo rack y vienen de 6, 8 y 12 posiciones.
- Racks extensibles : permiten conectar racks entre sí para crear una
estación del autómata y pueden ser de 4, 6, 8 y 12 posiciones y se
componen de hasta un máximo de 16 racks si la estación está compuesta
de racks de 4, 6 u 8 posiciones, ó un máximo de ocho racks si la estación
está compuesta de racks de 12 posiciones.
60
Debido a que se utilizaron racks extensibles de ocho posiciones es posible tener
una estación con 16 racks con una longitud máxima del bus-X de 100 metros.
Cada rack de la estación del autómata debe tener asignada una dirección. Esta
dirección está codificada a partir de cuatro micro-interruptores que están situados
en el rack de la siguiente forma:
- Micro-interruptores 1, 2 y 3 permiten codificar la dirección del rack en el
bus-X de 0 a 7.
- El micro-interruptor 4 permite codificar dos racks (de cuatro, seis u ocho
posiciones) en una misma dirección. Esta función se configura mediante el
software de programación Unity Pro.
Fig. 3.13 Direcciones disponibles para el rack.
La dirección 0 siempre está asignada al rack que soporta físicamente al
procesador TSX P57. En caso de que se conecten más de dos racks en una
misma estación, el rack con el procesador puede estar ubicado en cualquier
posición.
Las direcciones 1-7 pueden estar asignadas en cualquier orden a todos los demás
racks extensibles de la estación.
Cada rack extensible dispone de dos conectores hembra SUBD de nueve puntos
ubicados en los lados de cada rack.
Uno de los conectores SUBD permite conectar el bus-X a otro rack mediante un
cable de extensión TSX CBY300K, el cual garantiza la continuidad del bus de un
rack hacia el otro rack y la transmisión de las diferentes señales del bus-X.
61
En el otro conector SUBD se debe conectar una terminación de línea llamada
TSX TL YEX indicada como A/ o /B. El bus-X debe incluir obligatoriamente un
final A/ en uno de sus extremos y un final /B en el otro extremo sin orden
establecido.
Fig. 3.14 Conexión de racks extensibles.
Procesador
La CPU utilizada es TSX P57 104M ocupa solo la posición 00 del rack ubicado en
el tablero de control TC_02.
Fig. 3.15 Posición del procesador en el rack.
Este procesador dispone de un puerto de conector TER (mini-DIN de ocho
puntos) que permite conectar el autómata al bus Uni-Telway para establecer
comunicación con la computadora. Además cuenta con un conector AUX (mini-
62
DIN de ocho puntos) que permite comunicar la terminal de operador con el PLC
vía Uni-Telway.
Se puede expandir la memoria del CPU hasta 224 Kb, ya que dispone de un
alojamiento para una tarjeta de extensión de memoria de formato PCMCIA, este
alojamiento debe permanecer tapado para protegerlo del polvo en caso de que no
se conecte una tarjeta de memoria.
Cuenta con un zócalo para una tarjeta de comunicación en formato PCMCIA que
permite conectar al procesador un canal de comunicación Fipway, Fipio Agent,
Uni-Telway, Modbus, Modbus Plus, etc.
Los conectores TER y AUX permiten tener de forma predeterminada el modo de
comunicación Uni-Telway maestro a 19.200 baudios y mediante configuración el
modo Uni-Telway esclavo o el modo carácter ASCII.
La CPU contiene cinco indicadores luminosos situados en el panel frontal del
procesador que permiten realizar un rápido diagnóstico sobre el estado del
controlador: RUN, TER, FIP, ERR, I/O.
Las características generales del módulo TSX P57 104M se muestran en la
siguiente tabla:
REFERENCIA CPU: TSX P 57 104M Número de racks TSX RKY 8EX 4
E/S discretas por rack 512 E/S análogas 24
Número de canales
Funciones específicas (contaje, etc.) 8 Red (Fipway, ETHWAY/TCP_IP, Modbus Plus)
1 Número de conexiones
CANopen 1 Interna RAM 96 KB Tamaño de memoria Ampliación 224 KB RAM interna (100% booleano) 4,76 Kins/ms (1) RAM interna (65% booleano + 35% digital) 3,57 Kins/ms (1)
Tarjeta PCMCIA (100% booleano) 3,10 Kins/ms (1)
Velocidad de ejecución del código de Aplicación
Tarjeta PCMCIA (65% booleano + 35% digital)
2,10 Kins/ms (1)
Tiempo de ejecución Una instrucción booleana básica 0,19 µs
63
Una instrucción digital básica 0,25 µs en RAM interna Una instrucción en flotantes 1,75 µs Tarea Mast 1 ms Sistema Overhead Tarea Fast 0,3 ms
Tabla 3.13 Características del procesador.
(1) Kins: 1024 instrucciones.
Fuentes de alimentación
Cada rack necesita un módulo de alimentación definido en función de la red
distribuida (corriente alterna o corriente continua) y de la potencia necesaria en el
rack.
El módulo de alimentación utilizado para los dos racks es TSX PSY 2600M, se
instala en el primer emplazamiento de cada rack llamado TSX RKY y ocupa la
posición PS.
Fig. 3.16 Posición de la fuente de alimentación en el rack.
Esta fuente está destinada a alimentar con 24 Vdc los elementos periféricos o
módulos del controlador Premium y dispone de las funciones auxiliares como: un
bloque de visualización, un relé de alarma, un emplazamiento que permite recibir
una pila para guardar los datos en la memoria RAM del procesador.
Esta pila TSX PLP 01 (3,6V/0,8Ah/tamaño 1/2AA) se puede cambiar de forma
preventiva una vez al año o cuando se encienda el indicador luminoso BAT.
La fuente TSX PSY 2600 tiene un fusible de protección del voltaje primario que es
interno al módulo.
64
Las características de la fuente de alimentación se muestran en la siguiente tabla:
Referencias TSX PSY 2600M
Tensión nominal 100 - 240 Vca Valores límite 85 - 264 Vca Frecuencia límite 47 - 63 Hz Duración aceptada de microcortes de corriente ≤ 10 ms Potencia aparente 50 VA
Características de la entrada
Corriente nominal de entrada 0,5 A a 100 V 0,3 A a 240 V
Potencia total 26 W Tensión de salida 5V, 24 VR (1)
24 VC (2) Corriente nominal 5V 5 A Corriente nominal 24VR 0,6 A
Características de las salidas
Corriente nominal 24VC 0,5 A
Tabla 3.14 Racks extensibles.
(1) Tensión de 24 V para la alimentación de los relés instalados en los módulos de
"salidas a relé".
(2) Tensión 24 V para la alimentación de los captadores.
Módulos de entradas y salidas digitales
Los módulos de entradas/salidas discretas de la gama Premium son módulos de
formato estándar (que ocupan una sola posición), equipados con conectores
HE10 o con un bloque de terminales de tornillos TSX BLY 01.
Para los módulos provistos de salidas con conectores de tipo HE10 se requiere
utilizar un equipo denominado Telefast 2 que permite conectar los módulos de
entradas/salidas a las partes operativas.
Entradas discretas
Se instalaron dos módulos de entradas discretas TSX DEY 32D2K para el tablero
de control TC_01 y TC_02. Cada módulo dispone de 32 vías, 24 Vdc, lógica
positiva y dos conectores HE10.
65
Este módulo recibe las señales procedentes de los captadores y se encarga de la
adquisición, adaptación, aislamiento galvánico, filtrado y protección contra las
interferencias en las señales.
Las características del módulo de entradas discretas TSX DEY 32D2K se
muestran en la siguiente tabla:
REFERENCIA TSX DEY 32D2K
Tensión 24 Vdc Valores nominales de entrada Corriente 3,5 Ma Tensión (en estado 1) ≥ 11 V Corriente (en estado 1) ≥ 3 mA Tensión (en estado 0) ≤ 5 V
Valores límites de entrada
Corriente (en estado 0) ≤ 1,5 mA Impedancia de entrada En U nominal 6,3 KΩ Tiempo de respuesta 4 ms Rigidez dieléctricas Entrada/masa o entrada/lógica
interna 1500 V eficaces, 50/60 Hz durante 1 minuto
Resistencia de aislamiento >10MΩ (por debajo de 500Vdc)
En la aparición 8 ms < T < 30 ms Tiempo de respuesta del control En la desaparición 1 ms < T < 3 ms
Típico 135 mA Consumo 5V Máximo 155 mA
Potencia disipada 1 W + (0,1x Nb) W (1)
Tabla 3.15 Características del módulo de entradas discretas.
(1) Nb: número de vías.
Los conectores HE10 del módulo de entradas permiten la conexión de las
entradas del PLC con las partes operativas o captadores mediante bases de
conexión Telefast 2 que sustituyen a los bloques de terminales con tonillo.
Cada Telefast 2 (ABE-7H16R21) dispone de 16 terminales, sin embargo el
módulo de entradas discretas tiene 32 vías, razón por la que se instaló dos
Telefast de 16 canales para cada módulo de entradas del PLC. Todas las
entradas digitales operan con un voltaje de entrada de 24V DC.
66
Fig. 3.17 Telefast 2.
Con el fin de crear el común de la alimentación de las señales de entrada, se
debe colocar un puente de conexión en los terminales 3 y 4 del Telefast (ver Fig.
3.8 (2)). Los terminales 200 a 215 son de alimentación para las entradas.
Fig. 3.18 Conexión de las entradas al Telefast.
La conexión entre el módulo de entradas (con conectores HE10) y la base de
conexión Telefast 2 se efectúa por medio de un cable de conexión TSX CDP 203,
cuya longitud es de 3 metros.
67
Fig. 3.19 Conexión del Telefast 2.
Salidas discretas
En cada tablero de control se instaló un módulo de salidas discretas TSX DSY
16R5, el cual posee un bloque de terminales de 16 vías de relé y corriente térmica
de 3A.
Este módulo se encarga del almacenamiento de las órdenes dadas por el
procesador para permitir el comando de los relés de interfase a través de circuitos
de conexión y desconexión.
Las salidas digitales tienen un voltaje de operación de los contactos del PLC de
110V rms a 60 Hz.
Las características del módulo TSX DSY 16R5 se muestran en la siguiente tabla:
REFERENCIA TSX DSY 16R5 Salidas de relé, corriente
térmica de 3 A Continua 10 - 34 Vdc
Tensión de empleo Alterna 19 - 264 Vac
Corriente térmica 3 A Corriente máxima por común 3 A
Tensión 24 V Resistiva, régimen AC12 Potencia 50 VA Tensión 24 V
Carga de corriente alterna
Inductiva, régimen AC14 y AC15 Potencia 24 VA
Tensión 24 V Resistiva, régimen DC12 Potencia 24 W
Carga de corriente continua Inductiva, régimen DC13 Tensión 24 V
68
(L/R=60 ms) Potencia 24 W Carga mínima conmutable 1mA / 5V Conexión < 8 ms Tiempo de respuesta Desconexión < 10 ms
Potencia disipada 0,25 W + (0,2 x Nb) W
Rigidez dieléctrica Salida/mas o salida/lógica interna 2000 Veficaces, 50/60Hz por 1 min.
Resistencia de aislamiento
>10 MΩ (por debajo de 500Vdc)
Típico 80 mA 5 V interno
Máximo 90 mA
Típico 8,5 mA
Consumo de alimentación
24 V relé Máximo 10 mA
Tabla 3.16 Características del módulo de salidas discretas.
Módulos de entradas y salidas análogas
Los módulos analógicos de la gama Premium son módulos de formato estándar y
se instalan en cualquier posición del rack a excepción de las dos primeras (PS y
00), que son reservadas para el módulo de alimentación del rack y para el módulo
del procesador respectivamente.
Estos módulos están provistos de indicadores que permiten ver el estado del
módulo: RUN, ERR e I/O y el estado de las vías: CH•.
Entradas análogas
Se instalaron dos módulos de entradas análogas TSX AEY 414 en el tablero de
control TC_02, los mismos que poseen bloques de terminales de tornillo de 20
puntos (TSX BLY 01). Permiten conectar diferentes señales de entrada como
tensión/corriente de alto nivel, termoelementos y termo-sondas.
Este módulo tiene cuatro vías aisladas entre sí, las cuales son configurables a
través del software Unity Pro como:
- Señales de alto nivel: +/- 10 V, 0..10 V, +/- 5 V, 0..5 V, 1..5 V, 0..20 mA
(con una resistencia externa de 250Ω), 4..20 mA (con una resistencia
externa de 250Ω).
- Señal eléctrica: -13..+63 mV.
69
- Señal de resistencia: 0..400 Ω, 0..3850 Ω.
- Termo-sondas: Pt100, Pt1000 y Ni1000 en 2 ó 4 cables.
- Termoelementos: B, E, J, K, L, N, R, S, T y U
Las señales de entrada provenientes de los transmisores de temperatura del
condensador y del tanque mezclador MQ6 son señales de corriente en un rango
normalizado de 4 - 20 mA. Estas señales son conectadas con cables blindados y
el blindaje debe ser conectado al tornillo de restablecimiento del blindaje.
Para el correcto funcionamiento del módulo cuando se conectan señales de
corriente se requiere la conexión de una resistencia externa de 250 ohmios, 1/2 W
en paralelo a cada entrada análoga.
Fig. 3.21 Conexión de señales de corriente.
Las señales de entrada provenientes del variador de velocidad para el agitador
del tanque mezclador MQ6 y para el variador de la bomba de monómeros del
tanque MQ5 son señales de voltaje en un rango normalizado de 0 - 10 V con una
impedancia de entrada de 10 MΩ.
Fig. 3.22 Conexión de señales de voltaje.
70
Por lo explicado anteriormente, todas las señales conectadas al módulo de
entradas análogas tienen como referencia un mismo punto conectado a la tierra
del módulo, lo que garantiza el correcto funcionamiento en la adquisición de
información.
Fig. 3.23 Conexiones eléctricas en el módulo de entradas análogas.
Las características del módulo TSX AEY 414 se muestran en la siguiente tabla:
Referencia TSX AEY 414 Tipo de entradas Entradas aisladas, nivel alto y bajo, termopares y
termosondas Naturaleza de entradas Multigama Número de vías 4 Tiempo de ciclo de adquisición 550 ms para las 4 vías Convertidor analógico/ digital 16 bits
Entre vías 2830 Vef. Entre vías y bus 1780 Vef.
Aislamiento
Entre vías y tierra 1780 Vef. Sobretensión max en modo diferencial +/- 30 Vcc (conectado, sin derivador externo de
250Ω) +/- 15 Vcc (desconectado, sin derivador externo de 250Ω)
Sobrecorriente max en las entradas +/- 25 mA (conectado/ desconectado, con derivador externo de 250Ω)
Linealización Automática Potencia disipada max 4,7 W
Tabla 3.17 Características del módulo de entradas análogas.
71
Salidas análogas
Se instaló un módulo de salidas análogas TSX ASY 410 en el tablero de control
TC_01. Este módulo permite obtener señales de salida de tensión +/- 10 V y de
corriente de 0 - 20 mA y de 4 - 20 mA en cuatro vías aisladas entre sí, además
posee un bloque de terminales de tornillo de 20 puntos (TSX BLY 01).
Las señales de salida para el control de la válvula proporcional y el control de la
velocidad del agitador del tanque mezclador MQ6 están configuradas como
señales de corriente en un rango de 4-20mA y de 0-20mA respectivamente.
Al igual que el módulo de entradas análogas se utilizó cables blindados para
proteger las señales de ruidos externos y el blindaje es conectado al tornillo de
restablecimiento del blindaje.
Las características del módulo TSX ASY 410 se muestran en la siguiente tabla:
Referencia TSX ASY 410 Tipo de salidas Salidas aisladas entre vías Naturaleza de salidas Tensión / Corriente Número de vías 4 Tiempo de actualización de las salidas 2,5 ms Alimentación de las salidas Por el controlador Tipo de protección Cortocircuitos y sobrecargas
Entre vías 1500 Vef. Entre vías y bus 1500 Vef.
Aislamiento
Entre vías y tierra 500 Vcc. Típica 8,2 W Potencia disipada Máxima 12,2 W
Resolución 11 bits + signo
Tabla 3.18 Características del módulo de salidas análogas.
Tarjeta de comunicación MODBUS PLUS
La comunicación mediante Modbus Plus permite intercambiar datos entre los
equipos conectados a la red. El protocolo se basa en el principio de un bus de
72
token de software. Cada estación de una misma red se identifica mediante una
dirección comprendida entre 1 y 64.
Fig. 3.25 Conexión de red Modbus Plus.
Se instaló la tarjeta de comunicación Modbus TSX MBP 100 en el procesador
ubicado en el tablero de control TC_02. La conexión a la red Modbus se efectúa
con ayuda de un cable de derivación TSX MBP CE 030 (de 3 m de longitud). Este
cable se conecta a la caja de derivación Modicon 990NA23000.
Fig. 3.26 Conexión de la tarjeta Modbus Plus.
Esta caja de derivación permite integrar el controlador lógico del tanque
mezclador MQ6 a la red Modbus de la planta de Pinturas Cóndor.
El cable TSX MBP CE 030 se conecta a la caja de derivación siguiendo la
codificación de colores indicada O: hilo naranja, W: hilo blanco, GND: blindaje a
tierra, BLU: hilo azul.
73
Fig. 3.27 Vista interna de la caja de derivación.
Fig. 3.28 Conector y tarjeta de red Modbus.
3.3.3 LÓGICA DE CONTROL
El sistema de control tiene los modos de operación manual y semi-automático. En
el modo manual el operador utiliza los pulsantes start / stop para accionar los
motores de los tanques y las válvulas neumáticas permanecen abiertas. En el
modo manual utilizando las interfases HMI el operador puede accionar los
motores y las válvulas neumáticas por medio de la computadora o de la terminal
de operador. En el modo semiautomático el sistema realiza el control de la
temperatura del tanque MQ6.
La lógica de control que se sigue para el proceso de fabricación de resina de
úrea-formaldehido es la misma que se seguía cuando el tanque MQ6 estaba
operando en modo totalmente manual.
En el modo de operación manual (explicado en el capítulo 2 sección 2.2.2) los
motores de los agitadores se controlan mediante un circuito eléctrico formado por
74
protecciones, contactores y pulsantes de start / stop. Este circuito eléctrico es
independiente del programa del PLC.
Si el proceso se desarrolla en el modo de operación manual desde interfaces HMI
(explicado en el capítulo 2 sección 2.2.2) el operador será el responsable del
cumplimiento de todas las etapas para la elaboración de la resina.
Si el proceso se desarrolla en el modo de operación semi-automático (explicado
en el capítulo 2 sección 2.2.2) la lógica de control del proceso de elaboración de
resina es la siguiente:
Al iniciar un nuevo proceso se da una alarma sonora durante 4 segundos
indicando que se arranca un nuevo lote de resina.
Las etapas de carga y descarga de materia prima como butanol,
paraformaldehído, úrea, xileno y reguladores de PH básico y ácido las continúa
haciendo el operador en forma manual comandando las diferentes válvulas
manuales como se explicó en el control del proceso del capítulo 2 sección 2.1.1.
Una vez recibida la confirmación de la descarga de butanol en el tanque MQ6, el
PLC envía una señal de pulso para encender el agitador a una velocidad
constante de 90 rpm y permanece encendido durante todo el proceso. Esta
velocidad es controlada con el PLC a través de una señal de corriente de 0 a
20mA enviada a una entrada análoga (RL1) del variador de velocidad.
Seguidamente se añade el paraformaldehído, una vez confirmada su descarga en
el tanque MQ6 se inicia la etapa de calentamiento, para lo cual el PLC envía una
señal eléctrica a la electro-válvula que permite el paso de aire al actuador
neumático. La válvula permanece abierta hasta que la temperatura en el sensor
inferior del tanque MQ6 (TIT_202) haya llegado a 70°C.
Es necesario indicar que las señales obtenidas de los sensores de temperatura
son acondicionadas a señales de corriente 4-20 mA por medio de transmisores
75
indicadores. Estas señales son llevadas al PLC a través de un lazo de corriente
formado con la fuente de alimentación de 24 Vdc como se indica en la figura:
A3.0.4 0302
COM0 IN0
TIT_101
1 2 3 4
T
+PS -PS
1 2R
PE
N
L
PE
V+
V-
FP1
Fig. 3.29 Conexión de transmisores.
Para mantener la temperatura de 70°C durante una ho ra en el rango de tolerancia
permitida +/- 1°C, el PLC revisa constantemente la temperatura TIT_202 y envía
una señal de corriente de 4 a 20 mA (equivalente de 0 a 100% de apertura) a la
servo-válvula para que realice una modulación del vapor de agua que se está
enviando al tubo de calentamiento del tanque MQ6.
Al iniciar este calentamiento, el PLC habilita un mensaje para que el operador siga
preparando el regulador de PH ácido en el tanque TQ_01, al confirmar la carga de
ácido fosfórico en dicho tanque el PLC envía una señal de pulso para encender el
agitador del tanque TQ_01 durante 5 minutos.
La toma de muestra de la resina la continúa haciendo el operador en forma
manual y una vez que se confirma en las interfaces HMI la aceptación de la
muestra, el operador debe añadir la úrea a través de la tolva TLV_01.
Una vez confirmada la descarga de la úrea en el tanque MQ6, el PLC inicia un
contador de quince minutos para que la temperatura TIT_202 se estabilice ya que
se produce una reacción exotérmica que hace que la temperatura suba
progresivamente.
76
El PLC monitorea la temperatura y verifica si ésta subió a 95°C por reacción
exotérmica y si no sube hasta este valor inicia otra etapa de calentamiento, para
lo cual envía una señal eléctrica para abrir la válvula neumática de vapor de agua
hasta que se alcance los 95°C.
Para mantener esta temperatura durante 25 minutos, el PLC envía una señal de
corriente de 4 a 20 mA a la servo-válvula para mantener la temperatura TIT_202
en el rango de tolerancia permitida, este procedimiento se realiza en la misma
forma que se efectúa el primer calentamiento.
Al transcurrir los 25 minutos indicados, se inicia una etapa de enfriamiento, para lo
cual el PLC envía una señal eléctrica para abrir la válvula neumática que permite
el paso de agua fría hacia el serpentín del tanque MQ6 hasta que la temperatura
TIT_202 haya bajado a 80°C.
Seguidamente el operador añade el regulador de PH ácido en el tanque MQ6, el
cual fue preparado con anterioridad y al confirmar esta descarga el PLC inicia un
contador de quince minutos para que la temperatura TIT_202 se estabilice debido
a que se produce nuevamente una reacción exotérmica.
Transcurrido este tiempo, el PLC envía una señal eléctrica para abrir la válvula
neumática de vapor de agua durante el resto del proceso; cuando la temperatura
TIT_202 haya llegado a 91°C el PLC inicia un contad or de 6 horas (tiempo
estimado para que se concluya esta etapa) y habilita un mensaje de advertencia
de que se inicia la etapa de salida de agua, esto es importante ya que el operador
debe revisar constantemente el nivel de agua y butanol en el tanque separador.
Al concluir la etapa de salida de agua, el operador debe tomar una muestra de la
resina, verificar si cumple con los niveles de viscosidad requeridos y debe
confirmar en las interfaces HMI que la muestra ha sido aceptada, luego el PLC
envía una señal eléctrica para cerrar la válvula de vapor de agua ya que se inicia
la última etapa de enfriamiento, para lo cual envía la señal correspondiente para
77
abrir la válvula de agua fría hasta que la temperatura TIT_202 haya bajado a
60°C.
Cuando el tanque MQ6 llega a esta temperatura, el PLC envía habilita un mensaje
para que el operador añada el xileno a la resina y al confirmar esta descarga el
PLC inicia un contador de dos horas, que es el tiempo estimado para que se
mejoren las características de la resina.
Después de este tiempo la resina está lista para ser descargada, con lo cual el
PLC envía una señal de pulso para apagar el agitador del tanque MQ6 y manda
una señal para cerrar las válvulas de vapor de agua, agua fría y butanol para dar
inicio a un nuevo proceso.
Durante todo el proceso, con el PLC se monitorea la temperatura en el tanque
MQ6 y en el condensador. En el caso del tanque MQ6 se da una señal de alarma
si la temperatura TIT_202 es superior a 104°C, debi do a que esta es la
temperatura límite durante el proceso y manda una señal para abrir la válvula de
agua fría hasta que esta temperatura haya bajado a 100°C.
Para el condensador, el PLC da una señal de alarma en caso de que la
temperatura a la entrada del condensador (TIT_101) sea mayor que 90°C y en
caso de que la temperatura a la salida del condensador (TIT_102) sea mayor que
40°C, esto es importante ya que el operador debe re alizar las acciones necesarias
para la activación de las torres de enfriamiento respectivas para bajar estos
valores de temperatura.
El PLC además envía señales de alarma en caso de que fallen los sensores de
temperatura, las fuentes de alimentación de 24 Vdc y si son activados los
pulsantes de emergencia para que sean revisados por el personal
correspondiente.
Para que el operador pueda visualizar los mensajes de advertencias y alarmas
durante el proceso, el PLC envía las respectivas señales a las interfaces HMI en
78
la terminal de operador (vía Unitelway) y en la computadora (vía Modbus). De
igual forma todo el monitoreo de temperatura, velocidad del agitador, estado de
electroválvulas, de protecciones, etc. se lo realiza en las interfaces HMI a través
de las respectivas redes de comunicación (explicadas en el capítulo 4).
Fig. 3.30 Comunicación de PLC con interfases HMI.
La interfaz HMI de la computadora realiza las siguientes acciones:
- Control de acceso personalizado.
- Control de la velocidad del agitador del tanque MQ6.
- Le permite al operador controlar los procesos del tanque MQ6 en modo
manual y monitorear los procesos del tanque MQ5 en modo manual.
- Hacer un seguimiento del proceso a través de un diagrama de fases con
información de las etapas que se van cumpliendo y las que faltan por
ejecutarse.
- Guardar los históricos de temperatura y de alarmas ocurridos durante el
proceso.
- Imprimir las curvas de temperatura con el tiempo de inicio y fin del proceso.
La computadora de control del tanque MQ6 se enlazó a la computadora antigua
para el control del tanque MQ5 vía ethernet para tener acceso a la red MODBUS
79
de la planta de Pinturas Cóndor como se detalla en la arquitectura de control en el
capítulo 4.
La interfaz HMI de la terminal de operador, ubicada en el tablero de control
TC_02, realiza las siguientes acciones:
- Le permite efectuar al operador todas las maniobras de control.
- Visualizar eventos de alarmas.
- Monitorear la temperatura, la velocidad del motor del agitador y el
porcentaje de apertura de la servo-válvula.
- Desplegar un diagrama de fases en el modo de operación manual ó semi-
automático.
- Monitorear la frecuencia de la bomba de monómeros del tanque MQ5.
3.3.4 DISEÑO DEL PROGRAMA DEL PLC
Descripción del software UNITY PRO.
El software Unity Pro pertenece a la familia de Schneider Electric y permite
programar los PLC’s tipo Quantum, Premium y Atrium en lenguaje de diagrama de
bloques de funciones (FBD), diagrama Ladder (LD), lista de instrucciones (IL),
texto estructurado (ST) y control secuencial (SFC). Todos estos lenguajes de
programación pueden ser usados en el mismo proyecto.
Al iniciar una nueva aplicación se debe configurar el tipo de PLC, la fuente de
alimentación, los módulos de entradas y salidas discretas y análogas, tarjeta de
comunicación, racks de expansión, etc. Para esto se debe dar un clic en la
carpeta Configuration de la ventana ubicada en el lado izquierdo llamada Project
Browser. De esta forma se abre la ventana para configurar el bus-X
seleccionando todos los módulos que forman parte del controlador.
80
Fig. 3.31 Selección de PLC y módulos.
Para establecer la comunicación entre el PLC Premium y el computador se debe
utilizar el cable: TSX PCX 1031 (RS 232/RS 485) o TSX PCX 3030 (USB/RS
485).
La comunicación mediante Uni-Telway permite intercambiar datos entre todos los
equipos conectados al bus. Es un protocolo UNI-TE que crea una estructura
jerárquica (un maestro y varios esclavos). El equipo maestro es el que gestiona el
bus.
Uni-Telway permite una comunicación igualitaria y autoriza el envío de mensajes
de: maestro a esclavo, esclavo a maestro y esclavo a esclavo.
Todos los procesadores Premium disponen de un Terminal PORT a través del
cual se puede establecer la comunicación con el PC vía UNITELWAY, para esto
se debe establecer la dirección del PLC.
Para establecer la dirección del PLC se debe seleccionar en la barra de menú la
opción PLC y se debe escoger el sub-menú Set Address, en esta ventana
aparece por default los parámetros para la comunicación con el protocolo
Unitelway.
81
Fig. 3.32 Configuración Unitelway del PLC.
Al dar clic en el botón Comunication Parameters se accede a la ventana de
configuración de los drivers, aquí se debe configurar el driver Unitelway con los
mismos parámetros del puerto de comunicación serial, es decir, la velocidad de
transmisión, el número de bits, bit de paridad, bit de parada, etc.
Fig. 3.33 Configuración de driver Unitelway.
Al dar clic en el botón Configuration se accede a la pantalla para ajustar el puerto
de comunicaron serial y al seleccionar Edit es posible configurar los parámetros
del puerto.
82
Fig. 3.34 Configuración de driver Unitelway.
Fig. 3.35 Configuración de driver Unitelway acorde al puerto serial.
Configuración de la comunicación vía Modbus
La dirección Modbus del PLC encargado de controlar al tanque MQ5 es 1 y
debido a que se encuentran conectados otros dispositivos a la red Modbus de la
planta de Pinturas Cóndor se le asignó al PLC que controla al tanque MQ6 la
dirección 11 a través de una tarjeta de comunicación Modbus Plus TSX MBP 100
(ver capítulo 3 sección 3.3.2), la misma que fue configurada en el software UNITY
PRO para PLC Premium de la siguiente manera:
83
Primero se debe añadir un canal de comunicación, para esto se da clic derecho
sobre la carpeta Network en la ventana Project Browser, se elige la opción New y
se le da un nombre a la nueva red Modbus y se le asigna la dirección indicada
anteriormente.
Fig. 3.36 Configuración de la comunicación.
Al dar doble clic sobre el slot B de la CPU (Fig. 3.25) donde se encuentra
seleccionada la tarjeta de comunicación Modbus TSX MBP100 aparece la
ventana en donde se debe seleccionar el canal de comunicación creado
anteriormente.
Fig. 3.37 Configuración de tarjeta Modbus.
84
Declaración de variables
Para declarar las variables que van a ser utilizadas en el programa del PLC se
debe escoger la carpeta Variables & FBD instances en la ventana Project Browser
y seleccionar la opción Elementary Variables, aquí se debe ingresar el nombre de
la variable, el tipo (BOOL, EBOOL, INT, REAL, etc), la dirección y un comentario.
Las variables utilizadas para la programación del PLC en el software Unity Pro
son las siguientes:
VARIABLE TIPO DIRECCION
FCV201_OFF EBOOL %I0.1.0
FCV201_ON EBOOL %I0.1.1
FCV202_OFF EBOOL %I0.1.2
FCV202_ON EBOOL %I0.1.3
WCV202_OFF EBOOL %I0.1.4
WCV202_ON EBOOL %I0.1.5
PE2 EBOOL %I0.1.6
KAUX_MA EBOOL %I0.1.7
A3_PS_STATUS2 EBOOL %I0.1.8
FP2_STATUS EBOOL %I0.1.9
PE1 EBOOL %I0.8.0
BVACIO_KM2 EBOOL %I0.8.1
TQ1_KM3 EBOOL %I0.8.2
TQ2_KM4 EBOOL %I0.8.3
BCARGA1_KM5 EBOOL %I0.8.4
BCARGA2_KM6 EBOOL %I0.8.5
BVACIO_Q2 EBOOL %I0.8.6
TQ1_Q3 EBOOL %I0.8.7
TQ2_Q4 EBOOL %I0.8.8
A3_PS_STATUS1 EBOOL %I0.8.9
FP1_STATUS EBOOL %I0.8.10
A1_STATUS EBOOL %I0.8.13
Tabla 3.19 Entradas Discretas.
VARIABLE TIPO DIRECCION
TIT201_MEDIDA INT %IW0.3.0
TIT202_MEDIDA INT %IW0.3.1
WIT201_MEDIDA INT %IW0.3.2
WIT202_MEDIDA INT %IW0.3.3
TIT101_MEDIDA INT %IW0.4.0
TIT102_MEDIDA INT %IW0.4.1
A1_VELOCIDAD_MEDIDA INT %IW0.4.2
A5_VELOCIDAD_MEDIDA INT %IW0.4.3
Tabla 3.20 Entradas Análogas.
85
VARIABLE TIPO DIRECCION
BROJO EBOOL %Q0.2.0
BALARMA EBOOL %Q0.2.1
BVERDE EBOOL %Q0.2.2
BNARANJA EBOOL %Q0.2.3
A1_K15 EBOOL %Q0.2.4
A1_K16 EBOOL %Q0.2.5
BVACIO_KA1 EBOOL %Q0.9.0
TQ1_KA2 EBOOL %Q0.9.1
TQ2_KA3 EBOOL %Q0.9.2
BCARGA1_KA4 EBOOL %Q0.9.3
BCARGA2_KA5 EBOOL %Q0.9.4
FCV201_KA6 EBOOL %Q0.9.5
FCV202_KA7 EBOOL %Q0.9.6
WCV202_KA8 EBOOL %Q0.9.7
WCV203_KA9 EBOOL %Q0.9.8
Tabla 3.21 Salidas Discretas.
VARIABLE TIPO DIRECCION
FCV101_VAPOR INT %QW0.10.0
A1_VELOCIDAD INT %QW0.10.1
Tabla 3.22 Salidas Análogas.
VARIABLE TIPO DIRECC VARIABLE TIPO DIRECC
FCV201_ON_L EBOOL %M0 FCV201_OFF_L EBOOL %M2
FCV202_ON_L EBOOL %M4 FCV202_OFF_L EBOOL %M6
WCV202_ON_L EBOOL %M8 WCV202_OFF_L EBOOL %M10
PE2_L EBOOL %M12 KAUX_MA_L EBOOL %M14
BVACIO_KM2_L EBOOL %M16 TQ1_KM3_L EBOOL %M18
TQ2_KM4_L EBOOL %M20 BCARGA1_KM5_L EBOOL %M22
BCARGA2_KM6_L EBOOL %M24 PE1_L EBOOL %M26
PARAFORM_LISTO_M EBOOL %M28 TIEMPO_25M_LISTO_M EBOOL %M30
WCV203_KA9_AUX EBOOL %M32 FCV101_ON EBOOL %M34
A1_VELOCIDAD_SP_ON EBOOL %M36 REVISAR_SENSORES EBOOL %M38
REVISAR_SENSORES_OK EBOOL %M40 BVACIO_Q2_SIN_ALARMA EBOOL %M42
TQ1_Q3_SIN_ALARMA EBOOL %M44 TQ2_Q4_SIN_ALARMA EBOOL %M46
A1_PB1_L EBOOL %M52 TIEMPO_15M_LISTO_M EBOOL %M54
BUTANOL_CARGAR EBOOL %M56 PARAFORM_CARGAR EBOOL %M58
BUTANOL_CONTINUAR EBOOL %M60 WCV203_PB1 EBOOL %M62
FCV201_PB1 EBOOL %M64 TQ1_PB1 EBOOL %M66
FCV202_PB1 EBOOL %M68 PHDES2 EBOOL %M70
PARAFORM_DESCARGAR EBOOL %M72 BUTANOL_DESCARGAR EBOOL %M74
FINALIZAR EBOOL %M76 MUESTRA1 EBOOL %M78
PHDES1 EBOOL %M80 PHBAS1 EBOOL %M82
ESPERA_15M EBOOL %M84 PHACIDO_CARGAR EBOOL %M86
TEMPERATURA4 EBOOL %M88 AUXMA2 EBOOL %M90
AUXMA3 EBOOL %M92 A1_PB2_L EBOOL %M94
WCV203_PB2 EBOOL %M96 MUESTRA2 EBOOL %M98
86
UREA_DESCARGAR EBOOL %M100 FCV201_PB2 EBOOL %M102
TQ1_PB2 EBOOL %M104 FCV202_PB2 EBOOL %M106
BVACIO_PB1 EBOOL %M108 BVACIO_PB2 EBOOL %M110
TQ2_PB1 EBOOL %M112 TQ2_PB2 EBOOL %M114
BCARGA1_PB1 EBOOL %M116 BCARGA1_PB2 EBOOL %M118
BCARGA2_PB1 EBOOL %M120 BCARGA2_PB2 EBOOL %M122
WCV202_PB1 EBOOL %M124 WCV202_PB2 EBOOL %M126
UREA_CARGAR EBOOL %M128 PHBAS2 EBOOL %M130
PHACIDO_ACEPTAR EBOOL %M132 PHACIDO_DESCARGADO EBOOL %M134
TEMPERATURA4_OK EBOOL %M136 TIEMPO_6H_LISTO EBOOL %M138
DESCARGA_AGUA EBOOL %M140 PHBAS3 EBOOL %M142
INICIAR EBOOL %M144 MUESTRA_ACEPTAR EBOOL %M146
MUESTRA1M EBOOL %M148 MUESTRA2M EBOOL %M150
PHBAS2M EBOOL %M152 PARAFORM_LISTO EBOOL %M154
TIEMPO_15M_LISTO EBOOL %M156 TIEMPO_25M_LISTO EBOOL %M158
TEMP_80_LISTO EBOOL %M160 BUTANOL_INCORRECTO EBOOL %M162
BUTANOL_INC_ACEPTAR EBOOL %M164 PHDES1M EBOOL %M166
TEMPERATURA4M EBOOL %M168 BUTANOL_PARTE1_MAYOR EBOOL %M170
BUTANOL_PARTE1_MENOR EBOOL %M172 BUTANOL_PARTE2_MAYOR EBOOL %M174
BUTANOL_PARTE2_MENOR EBOOL %M176 TEMP_60_BAJAR_M EBOOL %M178
XILENO_DESCARGADO EBOOL %M180 RESINA_DESCARGAR EBOOL %M182
TEMP_60_BAJAR_OK EBOOL %M184 A1_STATUS_L EBOOL %M188
A3_PS_STATUS1_L EBOOL %M190 A3_PS_STATUS2_L EBOOL %M192
FP1_STATUS_L EBOOL %M194 FP2_STATUS_L EBOOL %M196
TIT101_ENFRIAR EBOOL %M200 TIT101_ENFRIAR_OK EBOOL %M202
TIT102_ENFRIAR EBOOL %M204 TIT102_ENFRIAR_OK EBOOL %M206
BVACIO_Q2_ALARMA EBOOL %M208 BVACIO_Q2_ALARMA_OK EBOOL %M210
TQ1_Q3_ALARMA EBOOL %M212 TQ1_Q3_ALARMA_OK EBOOL %M214
TQ2_Q4_ALARMA EBOOL %M216 TQ2_Q4_ALARMA_OK EBOOL %M218
TEMP_106_ALARMA EBOOL %M220 TEMP_106_ALARMA_OK EBOOL %M222
TEMP_70_MAYOR EBOOL %M224 TEMP_70_MAYOR_OK EBOOL %M226
TEMP_95_MAYOR EBOOL %M228 TEMP_95_MAYOR_OK EBOOL %M230
TEMP_80_MENOR EBOOL %M232 TEMP_80_MENOR_OK EBOOL %M234
TORRES_ACTIVAR EBOOL %M236 TORRES_ACTIVAR_OK EBOOL %M238
FCV201_REVISAR EBOOL %M240 FCV202_REVISAR EBOOL %M242
WCV202_REVISAR EBOOL %M244
Tabla 3.23 Variables internas.
VARIABLE TIPO DIRECCION TIT201_TEMPERATURA REAL %MW300
TIT202_TEMPERATURA REAL %MW302
WIT201_PESO REAL %MW304
WIT202_PESO REAL %MW306
TIT101_TEMPERATURA REAL %MW308
TIT102_TEMPERATURA REAL %MW310
BUTANOL_PARTE1 REAL %MW312
BUTANOL_PARTE2 REAL %MW314
TIEMPO_1H_L REAL %MW316
TIEMPO_15M_L REAL %MW318
87
TIEMPO_25M_L REAL %MW320
TIEMPO_5M_L REAL %MW322
TIEMPO_6H_L REAL %MW324
A1_VELOCIDAD_L REAL %MW326
FCV101_VAPOR_L REAL %MW328
TIEMPO_2H_L REAL %MW330
A5_VELOCIDAD_L REAL %MW332
FCV101_VAPOR_MANUAL REAL %MW334
A1_VELOCIDAD_SP REAL %MW336
Tabla 3.24 Variables reales internas.
Las variables que deben ser leídas por la terminal de operador son reales o
discretas y deben se reflejadas directamente, es decir, en la misma dirección del
PLC, así:
PLC: variable %M2 Terminal de operador: %M2
PLC: variable %MW300 Terminal de operador: %MF300
En el caso de la interfaz HMI en InTouch las variables deben ser reflejadas
desplazadas en una unidad hacia arriba, así:
PLC: variable %M2 InTouch: 000003
PLC: variable %MW300 InTouch: 400301
88
Diagrama de flujo
89
MUESTRA ACEPTADA
DESCARGA DE UREA
SI
NO
DESCARGA DE PH BASICO
TEMPERATURA REACTOR = 90 C
ESTABILIZACION DE TEMPERATURA
NO
SI
ABRIR ELECTROVALVULA VAPOR DE AGUA
TEMPERATURA REACTOR = 90 C
SI
CERRAR ELECTROVALVULA VAPOR DE AGUA
ABRIR VALVULA PROPORCIONAL VAPOR
DE AGUA
NO
TEMPERATURA REACTOR = 95 C
SI
NO
TIEMPO = 1 HORA
SI
TOMAR MUESTRA TIEMPO EXTRA DE
AGITACION
CERRAR VALVULA PROPORCIONAL VAPOR
DE AGUA
AGITAR DURANTE 25 MINUTOS
TIEMPO = 25 MINUTOS
SI
NO
CARGAR ACIDO FOSFORICO EN TQ_01
ENCENDER AGITADOR TQ_01 DURANTE 5
MINUTOS
TIEMPO = 5 MINUTOS
NO
SI
APAGAR AGITADOR TQ_01
1 2
3
4
90
TEMPERATURA REACTOR = 80 C
CERRAR ELECTROVALVULA DE
AGUA FRIA
SI
NO
ESTABILIZACION DE TEMPERATURA
ABRIR ELECTROVALVULA DE
AGUA FRIA
ENFRIAR A 80 C
DESCARGAR REGULADOR DE PH
ACIDO
TEMPERATURA REACTOR = 91 C
SI
NO
INICIAR SALIDA DE AGUA DURANTE 6 HORAS
ABRIR ELECTROVALVULA DE VAPOR DE AGUA
TIEMPO = 6 HORAS
SI
NO
TOMAR MUESTRA
MUESTRA ACEPTADA
TIEMPO EXTRA
SI
AÑADIR XILENO
TIEMPO = 2 HORAS
DESCARGAR RESINA
FINALIZAR
4
3
Fig. 3.38 Diagrama de flujo.
91
Diagrama de conexiones del PLC
KA1A1
A2KA2
A1
A2KA3
A1
A2KA4
A1
A2
KA5A1
A2KA6
A1
A2KA7
A1
A2KA8
A1
A2
KA9A1
A2
KA11A1
A2
A1
A2
A1
A2
A1
A2
A1
A2
A1
A2
A2.1.1 A3.1.1
A2.0.1 A3.0.2
A3.0.3 A3.1.2
A3.0.4
FCV_101
A1
A1
A5
KA12 KA13 KA14
KA15 KA16
PE1
KM2
KM3
KM5
KM4
KM6
Q2
Q3
A3.1.PS
Q4
FP1
Q5
FP1
Q6
FCV 201 ON
PE2
KAUX
FP2
FUENTE PLC
A1 STATUS
24 VDC+
24 VDC+
FP2
TIT_201
TIT_202
TIT_101
TIT_102
FCV 201 OFF
FCV 202 ON
FCV 202 OFF
WCV 102 ON
WCV 102 OFF
100 - %I0
101 - %I1
102 - %I2
103 - %I3
104 - %I4
105 - %I5
106 - %I6
107 - %I7
108 - %I8
109 - %I9
110 - %I10
111 - %I11
112 - %I12
113 - %I13
PE1
100 - %I0
101 - %I1
102 - %I2
103 - %I3
104 - %I4
105 - %I5
106 - %I6
107 - %I7
108 - %I8
109 - %I9
02 - COM 0
03 - IN 0
07 - COM 1
08 - IN 1
02 - COM 0
03 - IN0
07 - COM 1
08 - IN 1
12 - COM 2
13 - IN 2
17 - COM 3
18 - IN 3
01 - %Q0
02 - %Q1
03 - %Q2
04 - %Q3
05 - COM (Q0...Q3)
01 - %Q0
02 - %Q1
03 - %Q2
04 - %Q3
05 - COM (Q0...Q3)
06 - %Q4
07 - %Q5
08 - %Q6
09 - %Q7
10 - COM (Q4...Q7)
11 - %Q8
15 - COM (Q8...Q11)
06 - %Q4
07 - %Q5
10 - COM (Q4...Q7)
120 VAC - 60HzF
NO IMPLEMENTADO
ENTRADAS ANALOGAS
SALIDAS ANALOGAS
03 - %QW0 +
02 - %QW0 -
07 - %QW1 +
08 - %QW1 -
Fig. 3.39 Diagrama de conexiones del PLC.
92
A1 VARIADOR DE VELOCIDAD CFW-9 EN TABLERO TC_01
NOMBRE DESCRIPCION
A3.0.2 MODULO DE SALIDAS DIGITALES DE PLC EN TABLERO TC_02
A2.1.1 TELEFAST #1 EN TABLERO TC_01
A2.0.1 TELEFAST #1 EN TABLERO TC_02
A3.0.3 MODULO 1 DE ENTRADAS ANALOGAS DE PLC EN TABLERO TC_02
A3.0.4 MODULO 2 DE ENTRADAS ANALOGAS DE PLC EN TABLERO TC_02
A3.1.PS FUENTE DE 24 VDC PARA PLC DEL TABLERO TC_01
A3.1.1 MODULO DE SALIDAS DIGITALES DE PLC EN TABLERO TC_01
A3.1.2 MODULO DE SALIDAS ANALOGAS DE PLC EN TABLERO TC_01
A5 VARIADOR DE VELOCIDAD DE REACTOR MQ5
FCV_101 VALVULA PROPORCIONAL
KM2 CONTACTOR DE LA BOMBA DE VACÍO
Q2
RELÉ INDICADOR DEL MODO SEMIAUTOMÁTICO
CONTACTOR DEL MOTOR DEL TANQUE TQ_02
CONTACTOR DEL MOTOR DEL TANQUE TQ_01
PROTECCIÓN DEL MOTOR DE LA BOMBA DE VACÍO
PROTECCIÓN DEL MOTOR DEL TANQUE TQ_01
PE1 PULSANTE DE EMERGENCIA DEL TABLERO TC_01
KM3
KM4
Q3
Q4
PE2
KAUX
RELE DE LA BOMBA DE VACÍO
RELE DE LA BOMBA DE CARGA 1
RELE DEL MOTOR DEL TANQUE TQ_01
RELE DE LA ELECTRO - VÁLVULA FCV_201
INDICADOR VERDE DE LA BALIZA
KA1
KA2
KA3
KA4
KA5
KA6
KA7
KA8
KA9
KA11
KA12
RELE DE ENCENDIDO DEL MOTOR DEL TANQUE MQ6
KA13
KA14
KA15
KA16
PROTECCIÓN DEL MOTOR DEL TANQUE TQ_02
PULSANTE DE EMERGENCIA DEL TABLERO TC_02
RELE DEL MOTOR DEL TANQUE TQ_02
RELE DE LA BOMBA DE CARGA 2
RELE DE LA ELECTRO - VÁLVULA FCV_202
RELE DE LA ELECTRO - VÁLVULA WCV_102
RELE DE LA ELECTRO - VÁLVULA DE LA TOLVA TV_01
INDICADOR ROJO DE LA BALIZA
INDICADOR NARANJA DE LA BALIZA
SIRENA DE LA BALIZA
RELE DE APAGADO DEL MOTOR DEL TANQUE MQ6
Tabla 3.25 Nomenclatura.
93
CAPÍTULO 4
DESARROLLO DE LA INTERFAZ HMI Y DE LA TERMINAL DE OPERADOR
94
DESARROLLO DE LA INTERFAZ HMI Y DE LA TERMINAL DE OPERADOR
Ante la necesidad de controlar en forma local y remota los diferentes motores y
actuadores para la fabricación de la resina de úrea-formaldehído, se desarrolló
dos interfaces HMI que además permiten registrar los eventos de alarmas, la
temperatura en el tanque mezclador MQ6 y en el condensador, monitorear el
estado de las protecciones de los diferentes motores y de las fuentes de
alimentación tanto en modo de operación manual como en modo semi-
automático.
4.1 EQUIPOS PARA LA PRESENTACIÓN DE LAS INTERFACES
HMI
Terminal de operador
La terminal de operador es modelo MAGELIS de TELEMECANIQUE, pertenece a
la serie XBT GT 4230. Dispone de un puerto DIN para la comunicación con el
PLC y un puerto Ethernet para la comunicación con la computadora.
Fig. 4.1 Terminal de operador.
La serie XBT GT 4230 es una terminal de operador con pantalla LCD a color, es
de dimensiones reducidas, sin perder por ello resolución, es ideal en aplicaciones
que exigen paneles de control pequeños. La capacidad de memoria del equipo
seleccionado es la suficiente para manejar el número de variables consideradas
en el proyecto, sin tomar en cuenta respaldos de variables y eventos de alarmas.
95
A continuación se expone una tabla en la que se resumen las características
técnicas del equipo.
Características generales XBT GT 4230 Tensión de entrada 24 V CC Tensión nominal 19,2 VCC a 28,8 V CC Consumo de alimentación menor que 28 [W] Corriente de irrupción menor que 30 [A] Temperatura ambiente de funcionamiento (interior del armario y lado del panel) 0ºC a 50 ºC Humedad de funcionamiento 10% HR al 90% HR Altitud de funcionamiento 2000m o menos Protección de descarga electroestática 6kV al contacto, 8kV al aire Toma de tierra R < 100 Ohm Dimensiones externas 215 x 170 x 60 [mm] Peso menor que 1,8 kg Método de refrigeración Circulación natural de aire
Tabla 4.1 Características generales de la terminal de operador
Características funcionales XBT GT 4230 Pantalla LCD color Resolución 640 x 480
Colores 4096 Flash EPROM de aplicación 32 MBytes SRAM copia de seguridad de datos 512 KBytes DRAM ejecución de aplicación 32 MBytes
Tabla 4.2 Características funcionales de la terminal de operador
Computadora
Para que la computadora pueda soportar la aplicación de la interfaz HMI
elaborada en el ambiente InTouch debe cumplir con los siguientes requisitos
mínimos:
- Memoria Ram de 512 MBytes.
- Espacio libre en disco duro 40 GBytes.
- Microprocesador de velocidad 1.6 GHz o superior.
- Periféricos de entrada y salida.
- Monitor de color, resolución 1024 x 768.
96
- Puertos USB configurados y funcionando.
- Tarjeta de red Ethernet.
Fig. 4.2 Computadoras para tanques MQ6 y MQ5.
4.2 DESCRIPCION DEL SOFTWARE DE LAS HMI
Se implementaron dos HMI: una para la computadora y la otra para la terminal de
operador las que se describen a continuación.
4.2.1 SOFTWARE INTOUCH PARA INTERFAZ CON COMPUTADORA
El software InTouch es una herramienta computacional que permite crear
aplicaciones de interfaz entre hombre y computadora para los sistemas operativos
de Microsoft. Consta de dos componentes principales:
- WindowMaker: es el entorno de desarrollo donde los gráficos orientados a
objetos se utilizan para crear ventanas de visualización animadas y se
pueden conectar a sistemas industriales.
- WindowViewer: es el entorno de ejecución que se utiliza para mostrar las
ventanas de gráficos creadas en WindowMaker.
97
Permite tener en aplicaciones: sistemas de alarmas distribuidas, sistema de
tendencias históricas distribuidas, conversión de resolución de pantalla, desarrollo
de aplicaciones en red, etc.
El programa de InTouch necesita que se instale una llave de hardware en el
puerto paralelo de la impresora con el fin de ejecutar los programas y opciones
permitidas en la computadora.
4.2.2 I/O SERVER
Vínculo de comunicación entre el PLC y el paquete InTouch, permite acceder a
los datos de los PLCs Modicon instalados en una red de Ethernet.
Una vez que el I/O Server ha sido instalado se crea automáticamente un archivo
de configuración llamado MBENET.CFG. Las configuraciones en este archivo se
almacenan en el directorio en el cual fue instalado.
Para iniciar las configuraciones se debe acceder al menú Configure y seleccionar
la opción para abrir la ventana Topic Definition.
Fig. 4.3 Configuración del I/O Server
Para crear un nuevo Access name se debe dar clic en el botón New y aparece la
ventana MBENET Topic Definition.
Fig. 4.4 Ventana Topic Definition.
98
Fig. 4.5 Ventana MBENET Topic Definition.
En esta ventana se deben llenar los siguientes campos:
- Topic Name: nombre único para el PLC.
- IP Adress: dirección IP única del PLC.
- Dest_Index o Unit_ID: si está usando un puente de Modbus Plus a
Ethernet, este valor puede variar de 0 a 255.
- Slave Device Type: seleccionar tipo de dispositivo y número de dígitos.
- Bloque I/O Sizes: automáticamente cambia cuando se selecciona el tipo de
dispositivo.
- String Variable Style: permite seleccionar el estilo para almacenar los
registros del PLC.
- Register Type: seleccionar el tipo de registro (binario o BCD) que va a ser
usado.
4.2.3 SOFTWARE VIJEO VERSIÓN 4.4 PARA INTERFAZ CON LA TER MINAL
DE OPERADOR
El software Vijeo Designer es el programa ambiente en el que se desarrolla la
interfaz de la terminal de operador Magelis. Cuenta con paneles gráficos donde se
construyen las aplicaciones, tiene una amplia librería de imágenes e íconos que
99
permiten representar el esquema general de cualquier planta industrial. También
cuenta con hojas de programación llamadas “scripts” que facilitan la aplicación de
varias funciones que puede realizar la terminal de operador.
Este software pertenece a la familia de Schneider Electric y es similar al software
InTouch ya que dispone de barras de herramientas gráficas y de control de
objetos.
Fig. 4.6 Icono de Vijeo
El programa de la terminal de operador necesita de un programa “patch B” que
debe ser instalado después de la instalación del programa Vijeo Designer.
Conexión con la computadora PC
Para conectar la terminal de operador Magelis con la computadora es necesario
ingresar la dirección IP de la terminal de operador de la siguiente forma:
Al energizar la terminal de operador aparece una pantalla negra que indica que el
sistema está arrancando. En este instante se debe presionar sobre la esquina
superior izquierda para que aparezca la pantalla de configuraciones:
Fig. 4.7 Pantalla de configuraciones
100
Al presionar sobre la pestaña “Offline” aparecen los íconos de configuración. Para
ingresar la dirección IP se debe presionar sobre el ícono de red.
Al tocar sobre los tres campos (dirección IP, máscara de subred o puertos de
enlace predeterminados) aparece un teclado con el que se introducen las
direcciones de red que se deseen.
Para guardar y aplicar los cambios se debe presionar sobre el botón “modo para
ejecutar” y se debe reiniciar la terminal de operador.
La dirección IP configurada es la siguiente:
Fig. 4.8 Dirección IP
Para conectar la computadora en red con la terminal de operador es necesario
configurar la dirección IP de la tarjeta de red como se indica en la figura:
Fig. 4.9 Dirección IP de la PC
101
Para realizar la conexión es necesario utilizar un cable UTP par cruzado CAT 5E.
Creación de una aplicación
Al iniciar una nueva aplicación en Vijeo Designer, se debe crear un nuevo
proyecto en el que se configura el tipo de terminal de operador y se puede añadir
un comentario para identificarlo de otros proyectos existentes.
Fig. 4.10 Ventana creación de proyectos
Ambiente del software Vijeo Designer Las herramientas principales de Vijeo Designer son accesibles desde la pantalla
principal. Estas herramientas están distribuidas en seis ventanas las cuales
proveen de información específica de un objeto o de un proyecto1).
Fig. 4.11 Pantalla principal
1) Traducido del Tutorial Vijeo del mes de septiembre de 2006, pág 15 - 16.
102
Item Ventana Descripción
1
Utilizada para crear aplicaciones. La información de cada proyecto es listada en forma jerárquica en un explorador.
2
Despliega los parámetros de los objetos seleccionados. Cuando se han seleccionado más de un objeto sus propiedades comunes son visibles en esta ventana.
3
Enlista todos los objetos que aparecen en el dibujo, en la que aparece su nombre, su posición, su animación y sus variables asociadas.
4
Despliega el progreso de la compilación del programa, sus errores y sus advertencias.
5
Despliega una lista de gráficos que puede utilizar en sus proyectos. Para colocar un gráfico en el panel, seleccione el gráfico que quiere utilizar y arrástrelo hacia su lugar de destino.
6
Despliega la ayuda online sobre cualquier tema.
Tabla 4.3 Descripción de las ventanas de Vijeo Designer
Programación La programación en Vijeo Designer se desarrolla de dos formas: programación de
objetos y programación en scripts.
Programación de objetos
Al hacer doble clic sobre un objeto se abre una ventana en la que se puede editar
sus propiedades. Al objeto se le puede asignar algunas variables y configurar
diversas animaciones.
103
Fig. 4.12 Ventana Switch Settings.
Programación en scripts
La programación en scripts requiere de comandos que se digitan en forma de
código de programa. Existen diferentes tipos de scripts según su forma de
ejecución. La información sobre el uso de los comandos y los tipos de scripts se
encuentra en la ventana de ayuda de Vijeo Designer. A continuación indicamos un
ejemplo de código elaborado en script.
Fig. 4.13 Programación en scripts.
104
Configuración del protocolo Uni-telway
Desde la ventana Navigator dar click derecho sobre la pestaña IO Manager. A
continuación escoger el driver Uni-telway y dar clic sobre el botón OK.
Fig. 4.14 Selección del driver
Luego en la ventana Navigator abrir el menú de la pestaña IO Manager y escoger
el driver Uni-telway. Dar clic derecho sobre el driver y escoger la pestaña
Configuration. En la ventana Driver Configuration introducir los siguientes datos:
Fig. 4.15 Configuración del driver
A continuación dar clic derecho sobre el driver Uni-telway ubicado en la ventana
Navigator y seleccionar la pestaña New Equipment.
105
Fig. 4.16 Selección del equipo.
En la ventana Equipment Configuration llenar los campos con los siguientes
datos:
Fig. 4.17 Configuración del equipo.
Por último se deben guardar los cambios y compilar el programa.
106
4.3 DISEÑO DE LA HMI PARA LA COMPUTADORA A TRAVÉS DEL
SOFTWARE INTOUCH
4.3.1 FUNCIONES
La interfaz HMI elaborada bajo el ambiente de InTouch permite:
- Garantizar la seguridad de supervisión y control sobre el proceso
ofreciendo un control de acceso mediante un usuario y una contraseña de
modo que solo la persona calificada para operar dentro del proceso, pueda
supervisar el equipo.
- Realizar un seguimiento continuo de las diferentes variables y etapas del
proceso para poder accionar las bombas y electro-válvulas en el momento
requerido.
- Visualizar la variación de temperatura tanto del condensador como del
tanque MQ6, a través de un diagrama de tendencias de temperatura en
tiempo real.
- Almacenar información referente a las tendencias de temperatura en un
archivo con extensión .csv compatible con EXCEL.
- Imprimir los gráficos de las tendencias de temperatura para que la persona
encargada de supervisar el proceso pueda realizar el análisis respectivo.
- Realizar el monitoreo de las alarmas, la velocidad del agitador del tanque
MQ6, la temperatura de entrada y salida del condensador, la temperatura
del tanque MQ6, y el status de cada una de las electro-válvulas y
protecciones de los motores.
107
- Desplegar mensajes de advertencias para informar al operador sobre las
acciones y eventos dentro del mismo.
4.3.2 ESTRUCTURA DE PANTALLAS
La estructura básica de operación de la interfaz HMI está distribuida en dos
partes:
- Pantallas de operación del tanque MQ5: permiten monitorear el tanque
MQ5, para más detalle sobre el funcionamiento de las pantallas del tanque
MQ5 ver el manual de operación de la interfaz en InTouch adjuntado como
anexo 2.
- Pantallas de operación del tanque MQ6: permiten monitorear y controlar el
tanque MQ6 en modo de operación manual o semi-automático.
La operación de tanque MQ5 por medio de la interfaz HMI es independiente de la
operación del tanque MQ6.
Se accede al sistema de control supervisorio mediante un usuario y una clave o
password, el sistema posee niveles de acceso diferentes que sirven para restringir
al usuario sobre las operaciones que puede realizar en el proceso por medio de la
interfaz HMI.
A continuación se describen las características y el funcionamiento de cada una
de las pantallas de la interfaz HMI.
108
Pantallas Interfaz HMI en InTouch
Pantallas reactor MQ6
Pantallas reactor MQ5
Pantalla de accesos
Pantalla Principal
Pantalla IR A
Recetas InBatch
Pantalla de alarmas
Pantalla de Tendencias
Pantalla de proceso
Pantalla Reactor MQ5
Tanques de materias primas
Flujòmetro
Temperatura del reactor MQ5
Bomba de monómeros
Arquitectura del proyecto
Pantalla de accesos
Pantalla de accesos
Pantalla Principal
Pantalla de fasesPantalla TQ!_01
Pantalla de solventes
Pantalla de Tendencias
Pantalla TQ!_02
Pantalla de alarmas
Pantalla de fases
Pantalla de fases
Pantalla de tanques de Xileno
Fig. 4.18 Diagrama de pantallas.
4.3.2.1 Pantalla de control de acceso
La pantalla de acceso sirve para que el sistema identifique al operador que va a
supervisar el sistema, cada usuario posee un nombre distinto al que le
corresponde un único password; cada password tiene grados diferentes de
acceso para impedir que valores claves dentro del proceso puedan ser
modificados deliberadamente por una persona con un nivel de acceso restringido.
109
Fig. 4.19 Pantalla de acceso
4.3.2.4.Pantalla del proceso del tanque MQ6
En esta pantalla se puede ver el status de los diferentes actuadores del proceso
(motores, servo-válvulas y electro-válvulas). Al hacer clic sobre el motor ó sobre
una electro-válvula aparece una ventana de control del dispositivo. (ver manual de
la interfaz para la computadora en el anexo 2).
En esta pantalla se pueden ver la temperatura de entrada y de salida del
condensador y las temperaturas del tanque MQ6 que indican los transmisores
TIT_201 y TIT_202. Las rpm del motor del agitador y del moto-reductor se pueden
observar mediante displays.
110
Fig. 4.20 Pantalla principal de proceso
4.3.2.8 Pantalla del tanque TQ_01
En esta pantalla se puede observar con más detalle el tanque TQ_01, de igual
forma al dar clic sobre el motor aparece la ventana de control respectiva. (ver
manual de la interfaz para la computadora en el anexo 2).
Fig. 4.21 Pantalla del tanque TQ_01
111
4.3.2.9 Pantalla del tanque TQ_02
En esta pantalla se puede observar con más detalle el tanque TQ_02, de igual
forma al dar clic sobre el motor o sobre la válvula neumática para el paso de
butanol aparecen las ventanas de control respectivas. (ver manual de la interfaz
para la computadora en el anexo 2).
Fig. 4.22 Pantalla del tanque TQ_02
4.3.2.10 Pantalla de tendencias históricas
Permite obtener un diagrama que representa la variación de temperatura en el
tiempo del condensador y del tanque MQ6. Se puede escoger la señal que se
desea visualizar y la escala con el menú de tendencias y el menú de escalas
respectivamente. (Ver manual de la interfaz para la computadora en el anexo 2).
Durante el proceso se puede visualizar la fecha y hora en que inició y finalizó el
proceso además del nombre del operador y el supervisor, el número de lote, el
nombre del producto y observaciones generales del proceso.
112
Fig. 4.23 Pantalla de tendencias históricas.
4.3.2.11 Pantalla de alarmas
Permite al operador atender de forma segura y oportuna un evento que genera
una alarma, como puede ser sobre-temperatura en el proceso, ausencia de
energía en un dispositivo necesario para que funcione el sistema semi-
automático, fallas del motor por sobrecalentamiento, etc.
113
Fig. 4.24 Pantalla de eventos de alarma.
4.3.2.12 Pantalla de tanques de solventes
Adicionalmente al sistema de automatización del tanque MQ6 se diseñó e
implementó una pantalla que permite observar la distribución de los tanques de
solventes en las piscinas A y B. Al dar clic sobre el tanque MP-86 I26 se puede
acceder a la pantalla que muestra el nivel de xileno en mm y el equivalente en Kg
dentro del tanque.
114
Fig. 4.25 Pantalla de tanques de solventes.
Fig. 4.26 Pantalla del tanque de xileno.
115
4.3.2.13 Pantalla de diagrama de fases
Permite al operador identificar la fase actual en la que se encuentra el proceso, la
fase que se cumplió y la fase que falta por ejecutar. Prepara al operador con la
suficiente anticipación sobre las acciones que debe tomar en cada fase del
proceso, sobretodo en el modo de operación manual.
En esta pantalla se pueden ver los tiempos de inicio y fin del proceso y los
displays numéricos muestran el tiempo de ejecución de las fases.
Fig. 4.27 Pantalla diagrama de fases.
FASE POR EJECUTAR
FASE ACTUAL
FASE CUMPLIDA
116
4.4 DISEÑO DE LA HMI PARA LA TERMINAL DE OPERADOR A
TRAVÉS DEL SOFTWARE VIJEO DESIGNER 4.4
4.4.1 FUNCIONES
La interfaz HMI elaborada para la terminal de operador con el software Vijeo
Designer permite cumplir las mismas funciones explicadas para la HMI en
InTouch con las siguientes diferencias:
- El control de acceso se lo realiza mediante un usuario y contraseña único
para poder iniciar un nuevo proceso en modo manual o semiautomático.
- La variación de la velocidad del agitador tiene un nivel de acceso asignado
solo a la persona encargada de supervisar el proceso y se la puede realizar
únicamente desde la computadora.
- En el modo semi-automático, las ventanas de confirmación de las
descargas de materia prima, efectuadas por el operador, solo se habilitan
en la terminal de operador, por razones de seguridad, para obligar al
operador a acudir al sitio mismo donde se encuentra el tanque MQ6.
- Las funciones de almacenamiento e impresión de la información obtenida
en las tendencias de temperatura solo se las puede realizar en la interfaz
HMI en InTouch de la computadora en el laboratorio de resinas.
- El registro de los eventos de alarmas se los realiza únicamente en la
computadora.
4.4.2 ESTRUCTURA DE PANTALLAS
Las pantallas de la terminal de operador para la operación del tanque MQ6 están
organizadas de la siguiente manera:
117
- Pantalla de acceso.
- Pantalla del modo de operación.
- Pantallas de proceso.
- Pantallas de alarmas.
Adicionalmente se diseñó una pantalla para visualizar la frecuencia del variador
de velocidad del tanque MQ5 como se explicó en el capítulo 2 sección 2.2.7.
Fig. 4.28 Diagrama de pantallas.
4.4.2.1 Pantalla de acceso
La pantalla de acceso da a la terminal de operador un nivel de seguridad que
puede ser cambiado únicamente por programación. Sirve para confirmar que el
operador recibió la preparación previa antes de operar el equipo.
Fig. 4.29 Pantalla de acceso
118
El control de acceso tiene mensajes de advertencia para cubrir las siguientes
posibilidades:
- Cuando no se ha ingresado ningún dato en la pantalla
Fig. 4.30 Ventana de error.
- Cuando se ha ingresado el usuario incorrecto
Fig. 4.31 Ventana de error.
- Cuando se ha ingresado el password incorrecto:
Fig. 4.32 Ventana de error.
4.4.2.2 Pantalla del modo de operación
En esta pantalla se debe seleccionar el modo de operación del proceso entre
manual y semi-automático. También es posible realizar un ajuste de la fecha y de
119
la hora de la terminal de operador. Este ajuste no afecta la fecha y la hora de la
interfaz HMI de InTouch.
Fig. 4.33 Pantalla del modo de operación
4.4.2.3 Pantallas del proceso
En esta pantalla se representa, en forma general, la estructura requerida para la
fabricación de la resina, en la que el operador puede verificar o realizar acciones
de control, durante todo el proceso.
Fig. 4.34 Pantalla del tanque MQ6
120
Para mayor detalle ver el manual de operación de la terminal de operador en el
anexo 1.
4.4.2.4 Tanque TQ_01
En esta pantalla se presenta el detalle del tanque de almacenamiento de PH
ácido TQ_01 y la ventana de control del agitador del mismo tanque.
Fig. 4.35 Pantalla del tanque TQ_01
4.4.2.5 Tanque TQ_02
En esta pantalla se presentan las ventanas de mando de la válvula neumática de
butanol (WCV_202) y del motor del agitador.
Fig. 4.36 Pantalla del tanque TQ_02
121
4.4.2.6 Pantalla del condensador
En esta pantalla se pueden ver las temperaturas de entrada y de salida del
condensador. Tiene la característica de ser informativa, ya que no se pueden
realizar maniobras de control sobre el condensador.
Fig. 4.37 Pantalla del condensador.
4.4.2.7 Pantalla de tendencias
En esta pantalla se realiza un seguimiento de la variación en el tiempo de todas
las temperaturas (del tanque MQ6 y del condensador) hasta que finalice el
proceso.
Fig. 4.38 Pantalla del condensador
122
4.4.2.8 Pantalla de diagrama de fases
La pantalla de fases se activa y se desactiva al presionar sobre el botón “FASES”
ubicado en el submenú de la pantalla del tanque MQ6. En esta pantalla se
indican tres situaciones posibles sobre las etapas de cumplimiento del proceso:
- Fase aún no realizada ó no ejecutada
- Fase en proceso
- Fase realizada o ejecutada
Fig. 4.39 Pantalla diagrama de fases
4.4.2.9 Pantallas de alarmas
En esta pantalla se indica de forma visual qué dispositivo se encuentra en estado
de falla dentro del proceso. Estos dispositivos sobresalen mediante la activación
de la luz piloto en color amarillo.
123
Fig.4.40 Pantalla de alarmas
Dentro de la pantalla de alarmas existe un botón el cual nos permite acceder a la
pantalla HISTORICO DE ALARMAS en la cual podemos revisar los eventos que
generaron alarmas, al igual que la hora y la fecha en la que ocurrieron.
Fig. 4.41 Pantalla histórico de alarmas
4.4.2.10 Pantallas de la bomba de monómeros
La frecuencia del variador de velocidad de la bomba de monómeros del tanque
MQ5, que se controla por medio de una perilla ubicada en la puerta del tablero
124
TC_02, se puede visualizar en la pantalla de la terminal de operador descrita a
continuación.
Fig. 4.42 Pantalla bomba de monómeros
Al presionar sobre el display azul aparece otra pantalla en la que se amplía el
display de la frecuencia del variador de la bomba de monómeros.
Fig. 4.43 Pantalla display bomba de monómeros
4.5 ARQUITECTURA DE CONTROL
El PLC para el control del tanque MQ6 se comunica con la terminal de operador
vía enlace Unitelway (Fig. 4.44 zona1) para enviar las respectivas señales para
125
desplegar los mensajes durante el proceso y para poder visualizar los valores de
temperatura del tanque mezclador MQ6 y del condensador y permite ejercer las
maniobras de control.
El PLC del tanque MQ6 se enlaza a la red Modbus de la planta de Pinturas
Cóndor (Fig. 4.44 zona2), con el objeto de llevar la información necesaria hacia la
computadora donde se encuentra la interfaz HMI desarrollada en InTouch.
La computadora del tanque MQ6 se enlaza con la computadora del tanque MQ5 a
través de la red Ethernet (Fig. 4.44 zona3) para poder acceder a la red Modbus
de la planta debido a que ésta computadora no dispone de una tarjeta Modbus
para su enlace directo.
Fig. 4.44 Arquitectura de control.
126
Descripción de la red de comunicación Unitelway
Uni-telway es un bus de campo utilizado para la comunicación entre diferentes
equipos del mismo tipo de acuerdo a un protocolo definido por Schneider Electric.
El protocolo Uni-Telway es un protocolo Cliente / Servidor el cual habilita a cada
equipo de la red Uni-Telway para enviar o recibir datos.
Fig. 4.45 Protocolo Uni-Telway
Muchos equipos pueden ser configurados para ejercer las acciones de un cliente
ó de un servidor. Por ejemplo un PLC es un servidor para sus propias tareas de
sistema (funciones de programa, ajuste, diagnóstico, etc) y puede ser un cliente
de otro PLC cuando utiliza su código fuente para diversas acciones (envío de
instrucciones, lectura de status, control de máquinas, etc) 2).
Descripción de la red de comunicación Modbus
La comunicación mediante Modbus Plus permite intercambiar datos entre los
equipos conectados a la red. El protocolo se basa en el principio de un bus de
token de software. Cada estación de una misma red se identifica mediante una
dirección comprendida entre 1 y 64.
La red Modbus trabaja en un sistema RS-485 con una trama de 8 bits, sin bit de
paridad a una velocidad de 19200 Kbps (kilobits por segundo).
2) Traducido del manual Magelis IPC, XBT G & XBT GT Uni-Telway driver del mes de septiembre
de 2006, pág. 35.
127
Descripción de la red Ethernet.
Esta red tiene como función enlazar la computadora de control del tanque MQ5
con la computadora de control del tanque MQ6 como se explicó anteriormente.
Para esto se utilizó la tarjeta de red Ethernet instalada en la computadora antigua
la cual es llamada “resinas”.
La dirección IP asignada para computadora de control del tanque MQ6 es la
siguiente:
Fig. 4.46 Configuración de dirección IP.
128
CAPÍTULO 5
EJECUCIÓN DEL PROYECTO
129
EJECUCIÓN DEL PROYECTO
5.1 MONTAJE E INSTALACIÓN
El proyecto fue realizado por medio de la empresa Elsystec, la que distribuye
equipos de las marcas Schneider-Electric, Telemecanique, Weidmuller, Merlin
Gerin, los mismos que fueron utilizados para la ejecución del proyecto.
5.1.1 MONTAJE
Todo lo referente a montaje mecánico lo realizó la planta de Pinturas Cóndor bajo
nuestra supervisión, es decir, se realizó la instalación de las tuberías para los
cables eléctricos y de instrumentación, canaletas para las mangueras de
alimentación de aire para las válvulas neumáticas y tendido de cables con las
longitudes adecuadas para las conexiones eléctricas entre tableros y para las
conexiones desde los dispositivos de control hacia los tableros.
En cuanto al montaje eléctrico realizamos el cableado interno para cada tablero
de control en base a los manuales de instalación de los equipos. Se siguieron
además las siguientes normas: Norma Europea EN 60617 que define la
simbología gráfica para los esquemas eléctricos y la norma Internacional IEC
60445 que define el marcado y la identificación de los bornes de equipos y de los
terminales de los conductores designados.
Siguiendo las normas indicadas y con el fin de facilitar la identificación de regletas
y borneras en cada tablero se designó a las regletas del tablero TC_01 como
X1.m.n y a las regletas del tablero TC_02 como X2.m.n, donde m es el número de
regleta y n es el número de bornera. Por ejemplo la regleta X1.2.3 indica que es la
tercera bornera de segunda regleta ubicada en el tablero TC_01.
130
Montaje del tablero de control TC_01
El montaje de la parte de fuerza del tablero TC_01 (para la operación de los
diferentes motores) ya se encontraba instalado en el sitio de operación, razón por
la cual se realizó solo el montaje de la parte de control.
Siguiendo el diagrama de conexiones para doble fondo del tablero TC_01
indicado a continuación se procedió al montaje del tablero.
LC1D
09
LC1D
09
LC1D
09
LC1D
32
INVERSORCFW-09
RKY8
NS250250A
TCs
GV
2ME
06G
V2M
E06
GV
2ME
08G
V2M
E32
NS80H80A
C60N-2P GUARDAMOTORES
X1.3
X1.
4
X1.
5
X1.2
X1.0 X1.1
Fig. 5.1 Doble fondo de tablero TC_01.
131
Primero se colocó las borneras para la alimentación de 110 Vac obtenidos por el
transformador de control. Cada grupo de borneras fue identificado como se indicó
anteriormente.
Se instalaron las respectivas protecciones del transformador de control y la
protección principal para la alimentación de los dos tableros de control.
Fig. 5.2 Protecciones del transformador de control.
En las regletas X1.0 y X1.1 se realizó el montaje de las respectivas protecciones
(breakers) para los equipos que operan con alimentaciones de 110Vac.
Fig. 5.3 Borneras y protecciones de 110 Vac.
En la regleta X1.2 se instalaron la fuente de alimentación de 24Vdc, las
respectivas borneras y las protecciones (breakers) para los equipos que operan
con este voltaje de alimentación.
132
Fig. 5.4 Borneras, fuente de 24 Vdc y las respectivas protecciones.
En el rack extensible de 8 posiciones ubicado en el tablero TC_01 se instalaron la
fuente para el PLC, un módulo de entradas discretas, un módulo de salidas
discretas, un módulo de salidas análogas, quedando cuatro slots disponibles para
futuras ampliaciones.
Fig. 5.5 Módulos del PLC en el rack extensible.
En la regleta X1.3 se instalaron las borneras para las salidas discretas
provenientes del PLC, mientras que en la regleta X1.4 se encuentran los equipos
Telefast y las borneras para las entradas discretas del PLC.
Fig. 5.6 Borneras para salidas discretas del PLC.
133
Fig. 5.7 Equipos Telefast y borneras para entradas discretas del PLC.
En la regleta X1.5 se instalaron los relés de interfaces, las borneras de salidas
análogas del PLC y las borneras de interfase (contienen los cables entre paneles).
Fig. 5.8 Relés de interfase.
En la puerta derecha del tablero TC_01 se instaló un medidor de energía (permite
visualizar voltaje, corriente, potencia, frecuencia etc.) y el cableado necesario
para las luces piloto de las tres fases.
134
Fig. 5.9 Vista posterior del medidor de energía.
Fig. 5.10 Vista frontal del medidor de energía.
Además se realizó las conexiones de los transformadores de control hacia el
medidor de energía para poder obtener las medidas indicadas.
Fig. 5.11 Conexiones de los transformadores de control.
135
Para poder monitorear con el PLC el estado de los contactores y protecciones de
cada motor se realizó el respectivo cableado de los contactos auxiliares a las
borneras de entradas discretas del PLC.
Para poder controlar la velocidad del agitador del tanque MQ6 desde el PLC se
realizó las conexiones eléctricas de la salida análoga [0-20mA] del PLC destinada
para este fin hacia el variador de velocidad, de igual forma para poder leer la
velocidad en la que se encuentra operado el variador se conectó una señal de
voltaje [0-10V] del variador de velocidad hacia las borneras de las entradas
análogas del PLC.
Fig. 5.12 Conexiones de contactores, guardamotores
y variador de velocidad.
Finalmente se puede observar el tablero de control TC_01 ubicado en el sitio de
operación.
136
Fig. 5.13 Cableado interno del tablero TC_01.
Montaje del tablero de control TC_02
Por requerimiento de la planta de Pinturas Cóndor, este tablero es de acero
inoxidable y se asignó el lado izquierdo para los pulsantes start/stop, luces piloto,
borneras y cableado perteneciente al tanque MQ5 mientras que el lado derecho
está destinado a la parte de control del tanque MQ6 y contiene los pulsantes
start/stop y luces piloto del tanque MQ6.
137
(a) (b)
Fig. 5.14 (a) Vista interior TC_02. (b) Vista frontal TC_02.
Las conexiones eléctricas para este tablero primero se realizaron en el doble
fondo, comenzando por la el montaje de las canaletas y el llamado “riel din”
siguiendo el diagrama de conexiones para doble fondo del tablero TC_02 indicado
a continuación.
S1
S2S3
TERMINAL DEOPERADOR
P
S1
S2
S3
P
LUZ PILOTO
PULSANTE DE PARO
PULSANTE DE MARCHA
PULSANTE DE EMERGENCIA
SELECTOR MANUAL / SEMIAUTOMATICO
SELECTOR DEL TANQUE MQ5
PERILLA
SELECTOR DEL TANQUE MQ5
CODIGO
Fig. 5.15 Distribución de pulsantes y luces piloto en tablero TC_02.
138
RKY8
VARIADOR DEVELOCIDAD DELTANQUE MQ5
X2.6
X2.
9
X2.
7
X2.
10X
2.11
X2.8
X2.
1
X2.
2
X2.
3
X2.4
X2.12
X2.0 X2.5X2.5
Fig 5.16 Doble fondo de tablero TC_02.
En la regleta X2.0 y X2.5 se instalaron las borneras y protecciones para los
equipos que requieren alimentación de 110Vac.
Fig. 5.17 Borneras y protecciones de 110Vac.
139
En la regleta X2.5 se instalaron además la fuente de 24 Vdc y las borneras de
alimentación para los diferentes equipos con sus respectivas protecciones.
Fig. 5.18 Fuente de 24Vdc, borneras y protecciones.
En las regletas X2.1 y X2.2 se instalaron las borneras necesarias para reemplazar
el cableado perteneciente al tanque MQ5. Las regletas X2.3 y X2.4 quedan libres
como reserva para las conexiones del mismo taque.
Fig. 5.19 Borneras para tanque MQ5.
En el rack extensible de 8 posiciones ubicado en el tablero TC_02 se instalaron:
una fuente de alimentación, el CPU, un módulo de entradas discretas, un módulo
de salidas discretas y dos módulos de entradas análogas, quedando dos slots
disponibles para futuras ampliaciones de los módulos del PLC.
140
Fig. 5.20 Módulos del PLC en el rack extensible.
En las regletas X2.6 y X2.8 se instalaron los relés de interfaces y las borneras
para las salidas del PLC incluyendo las borneras para la baliza.
Fig. 5.21 Relés de interfaces y borneras de salidas discretas.
En la regleta X2.7 se instalaron los equipos Telefast y las borneras necesarias
para las entradas discretas del PLC.
Fig. 5.22 Equipos Telefast y borneras de entradas discretas.
141
En las regletas X2.9 y X2.10 se instalaron las borneras de entradas análogas y las
borneras de interfase.
Fig. 5.23 Borneras para entradas análogas y para interfases.
Luego del montaje de los equipos, se procedió a colocar el doble fondo en el
tablero de control TC_02.
Fig. 5.24 Montaje de doble fondo en TC_02.
142
En la puerta izquierda del tablero de control TC_02 se realizó la instalación y
cableado de los pulsantes start/stop y luces piloto que reemplazarán al sistema
antiguo del tanque MQ5.
Fig. 5.25 Pulsantes start/stop y luces piloto para MQ5.
En la puerta derecha del tablero se realizó la instalación y cableado de los
pulsantes start/stop y luces piloto para la operación del tanque MQ6. También se
realizó el montaje de la terminal de operador con las respectivas conexiones de
alimentación de 24Vdc y cable para la comunicación con el PLC.
Fig. 5.26 Pulsantes start/stop terminal de operador para MQ6.
143
Montaje del tablero neumático TN_01
Se instaló un regulador para la presión de aire que puede variar en un rango de 0
a 10 bares, además se encuentran las electro-válvulas que controlan el paso de
aire hacia las válvulas neumáticas destinadas para el vapor de agua, agua fría y
butanol. Adicionalmente se conectó una manguera para la alimentación de la
válvula de control de la tolva.
Fig. 5.27 Electro-válvula 5-2
Fig. 5.28 Electro-válvulas en tablero neumático TN_01.
En este tablero se encuentran las respectivas borneras para realizar las
conexiones de las señales eléctricas que vienen del tablero de control TC_01 y
que permiten activar las electro-válvulas.
144
5.1.2 INSTALACIÓN
Tablero de control TC_01
El panel de control TC_01 ya se encontraba instalado en el sitio de operación, es
decir en el área de resinas, en la planta baja desde donde se puede ver la parte
inferior del tanque mezclador MQ6 (ver Fig. 1.13). El montaje de los dispositivos
de control en este tablero se los realizó en la planta de Pinturas Cóndor como se
indicó anteriormente.
Se realizó el cableado de la alimentación de 110Vac y las conexiones de las
borneras de interfases desde el tablero de control TC_01 hacia el tablero TC_02.
Las conexiones de las señales eléctricas de las electro-válvulas instaladas en el
panel neumático TN_01 se llevaron al tablero TC_01 para conectarlas a las
diferentes borneras de salidas discretas del PLC.
Se realizó la conexión entre los racks del PLC ubicados en los tableros TC_01 y
TC_02 con el cable TSX CBY300K indicado en el capítulo 3 sección 3.3.2.
Fig. 5.29 Tablero de control TC_01.
145
Tablero de control TC_02
Para instalar el tablero TC_02 primero se tuvo que desmontar el tablero antiguo
que operaba el tanque MQ5, para esto se realizó la respectiva etiquetación de los
cables y se tomó las precauciones necesarias para las conexiones en el nuevo
tablero.
Fig. 5.30 Tablero de control antiguo para MQ5.
Para el control de la bomba de monómeros del tanque MQ5 se conservó el
variador de velocidad existente y se realizaron las conexiones respectivas para
que opere desde el nuevo tablero de control.
Fig. 5.31 Variador antiguo para MQ5.
146
Al instalar el nuevo tablero de control se realizó el cableado, conexiones y
pruebas necesarias para que el tanque MQ5 pueda seguir operando desde la
nueva consola.
Fig. 5.32 Tablero TC_02 en sitio de operación.
Para la operación del tanque MQ6 se realizó el cableado de las señales eléctricas
desde los sensores de temperatura instalados en el tanque MQ6 y en el
condensador hacia los transmisores y las conexiones de éstos hacia el tablero
TC_02.
Fig. 5.33 Conexión de los sensores de temperatura
a los transmisores.
147
Fig. 5.34 Conexión de señales de los transmisores
al panel TC_02.
Se realizó además el cableado de las señales eléctricas para el control de la
servo-válvula y las señales de estado de las válvulas neumáticas para vapor de
agua, agua fría y butanol hacia el panel TC_02.
Fig. 5.35 Tablero TC_02 operando para tanques MQ5 y MQ6.
148
Tablero neumático TN_01
Para controlar el ingreso de aire desde la toma principal de la planta de Pinturas
Cóndor hacia el panel neumático se instaló una válvula de accionamiento manual
y a continuación se instalaron dos filtros que permiten mejorar la calidad del aire
para la operación de las válvulas neumáticas y se conectaron siete mangueras
para suministrar la alimentación de aire a cada válvula. Los racores utilizados
para estas mangueras son de 1/4” y 1/8”.
Fig. 5.36 Tablero neumático TN_01.
Computadora para interfaz HMI en InTouch
La computadora con la aplicación desarrollada en InTouch para la operación del
tanque MQ6 fue instalada en el laboratorio de resinas junto a la computadora con
la que se opera al tanque MQ5.
Fig. 5.37 Interfaz HMI en laboratorio de resinas.
149
A través de esta interfaz se puede acceder a información más detallada acerca
del proceso como son históricos de temperatura en el tanque MQ6 y en el
condensador, históricos de las alarmas ocurridas, etc.
Red Modbus
Para acceder a la red Modbus de la planta de Pinturas Cóndor se instaló en el
PLC ubicado en el tablero TC_02 la tarjeta de comunicación Modbus TSX
MBP100 y el cable de derivación TSX MBP CE 030 se conectó a una caja de
derivación Modicon 990NA23000 como se explicó en el capítulo 3 sección 3.3.2.
Esta caja de derivación va conectada por un extremo a la tarjeta de red del PLC y
por el otro extremo al cable Modbus proveniente del PLC de control del tanque
MQ5 que se encuentra instalado en un tablero cerca del área de calderos.
Fig. 5.38 Conector Modbus en tablero TC_02.
150
5.1.3 COSTOS
El costo aproximado de los diferentes equipos utilizados se muestra a
continuación:
Descripción Marca Costo ($) Controlador Lógico Programable incluyendo procesador, fuentes, módulos de entradas/salidas discretas/análogas, bloques de tornillo, equipos Telefast, racks extensibles, terminadores de línea, cables de comunicación y accesorios.
Schneider Electric
5,200
Terminal de operador y cables de comunicación para PLC Premium
Schneider Electric
2,050
Transformadores de corriente de 300/5A y transformador de control, relés para 110 Vac, fuentes de 24 Vdc, baliza con luces naranja, roja, verde y alarma sonora, protecciones como Breaker regulable de 100 a 250 A y disyuntores de control.
Weidmuller Merlin Gerin
1,595
Elementos de control: borneras, terminales para cable, marquillas, cables, pulsantes, luces piloto, selector y canaletas, tapas, riel din 35mm.
Weidmuller 1,400
Instrumentación del sistema: sensores de temperatura, Transmisores de temperatura.
4,800
Válvulas neumáticas de control on/off, válvula de control proporcional, actuadores neumáticos, limit switch, conectores, válvula de desfogue.
Samson Milwakee
14,000
Tableros de control TC_01 y TC_02 (acero inoxidable).
5,200
Accesorios de red Modbus incluyendo tarjeta de red Modbus, cables de comunicación.
Schneider Electric
960
TOTAL 35,205
Tabla 5.1 Costos de los equipos.
En esta tabla no se incluye el costo de diseño, montaje e instalación del proyecto.
151
CAPÍTULO 6
PRUEBAS Y RESULTADOS
152
PRUEBAS Y RESULTADOS
6.1 PRUEBAS DE CONEXIONES ELÉCTRICAS
Las pruebas que se realizaron tanto en el tablero de control TC_01 como en el
tablero TC_02 son las siguientes:
Pruebas de continuidad
Utilizando un multímetro se verificaron todas las conexiones eléctricas entre cada
una de las borneras; las conexiones de las protecciones de cada tablero (TC_01 y
TC_02) y las conexiones de las borneras de interfaces para comprobar que sean
acordes al diseño de los planos eléctricos (ver anexo 3).
Para el tablero TC_01 se revisó la conexión eléctrica del transformador, las
conexiones de los telefast, de los módulos del PLC, del medidor de energía, de
los relés de interfaces, de los contactores, de los guardamotores, del pulsante de
emergencia y las conexiones del variador de velocidad hacia las respectivas
borneras.
Para el tablero TC_02 se revisó la conexión de los pulsantes de marcha, de paro
y luces piloto para cada motor. Se comprobó la continuidad de las conexiones
eléctricas entre equipos como los telefast, baliza, relés de interfaces, módulos del
PLC y sus respectivas borneras.
Para los transmisores de temperatura se comprobaron las conexiones eléctricas
hacia sus respectivas borneras de entradas análogas ubicadas en el tablero
TC_02.
153
Pruebas de voltaje de operación
Una vez que se comprobaron todas las conexiones eléctricas de cada tablero, se
energizó el tablero de control TC_01 y con el multímetro se procedió a realizar la
medición de voltajes en todos los equipos.
Se verificó que exista la alimentación de 120Vac en los siguientes equipos:
- Fuente de 24Vdc.
- Fuente para el rack del tablero TC_01.
- Medidor de energía.
- Iluminaria interior del tablero TC_01.
- Regleta de conexión de tomacorrientes.
Se verificó que exista la alimentación de 24Vdc en los equipos Telefast.
Luego de comprobar que, dentro del tablero TC_01, el voltaje de operación de
cada equipo sea el correcto, se procedió a energizar el tablero TC_02 y se
realizaron las mismas pruebas de medición de voltaje en todos los equipos.
Para el tablero TC_02 se verificó la alimentación de 120Vac en los siguientes
equipos:
- Fuente de 24Vdc.
- Fuente del PLC.
- Iluminaria interior del tablero TC_02.
- Regleta de conexión de tomacorrientes.
- Baliza.
Se verificó la alimentación de 24Vdc en los siguientes equipos:
- Telefast.
- Terminal de operador.
154
- Transmisores de temperatura.
Pruebas de tierra
Para las pruebas de las conexiones a tierra se comprobó la conexión eléctrica
entre las borneras de tierra y la estructura metálica de los tableros de control.
Luego se comprobó la conexión eléctrica desde las borneras de tierra hacia cada
uno de los equipos instalados en ambos tableros. Finalmente se midió el voltaje
existente entre la toma de tierra y el neutro de cada uno de los tableros
obteniendo 0V y se midió el voltaje existente entre la toma de tierra y la fase
obteniendo 110V. No se realizaron pruebas de la resistencia a tierra.
Pruebas de accionamiento de los equipos
Una vez que terminaron todas las pruebas generales de conexiones eléctricas y
verificación del voltaje de operación se comprobó que todos los equipos se
encuentren funcionando correctamente en forma individual, para lo cual mediante
un programa sencillo de prueba se comprobó el accionamiento de las válvulas
neumáticas, de la servo-válvula, del variador de velocidad, de la baliza y se
comprobó el funcionamiento de las luces piloto.
6.2 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL PLC Y LAS HMI .
Pruebas del PLC
La primera prueba que se realizó fue la comunicación entre la computadora y el
PLC para realizar la descarga y la simulación del programa. Se comprobó el
funcionamiento de la tarjeta de comunicación Modbus y utilizando un programa
llamado Modscan (que permite leer las direcciones Modbus de los dispositivos
conectados a la red) se verificó el direccionamiento de todas las variables
(discretas y análogas) entre el PLC y las interfaces HMI.
155
Se verificó que las señales de entrada (tanto discretas como análogas) sean
leídas por el PLC y se comprobó que la dirección de las salidas del PLC sean las
correctas.
Pruebas de la HMI
Para las interfaces de operación HMI se comprobaron las coherencias entre los
datos mostrados por cada una de ellas y los datos reales de los motores, válvulas
y transmisores de temperatura. Luego se verificó el accionamiento de todos los
motores y válvulas utilizando la interfaz de operación del computador y de la
terminal de operador.
Fig. 6.1 Pruebas de comunicación.
6.3 TABLAS Y GRÁFICOS DE COMPORTAMIENTO DE LOS
EQUIPOS
Para comprobar la linealidad de las entradas análogas del PLC y de las señales
de otros equipos como los transmisores indicadores de temperatura, el variador
de velocidad y la servo-válvula se elaboraron las siguientes pruebas:
156
Pruebas de las entradas análogas del PLC
Con un calibrador de procesos (instrumento de medición electrónica) se simuló
una entrada de corriente comprendida entre 0mA y 21mA. Esta señal de corriente
se conectó a una entrada análoga del PLC a fin de determinar la relación entre la
magnitud de la corriente y el valor numérico que toma la entrada.
I (mA) Señal a la entrada del PLC
0 0 1 500 2 998 3 1498 4 1998 5 2498 6 2998 7 3497 8 3997 9 4496 10 4996 11 5496 12 5995 13 6495 14 6995 15 7496 16 7994 17 8493 18 8994 19 9494 20 9993 21 10494
Tabla 6.1 Pruebas de las entradas del PLC.
157
Prueba de la señal de entrada análoga del PLC
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 5 10 15 20 25
Corriente [mA]
Ent
rada
del
PLC
Señal a la entrada del PLC
Fig. 6.2 Gráfico de la tabla 6.1
Pruebas de los transmisores de temperatura
Se conectó un sensor PT-100 a un transmisor de temperatura y se lo colocó en
un recipiente con agua hirviendo para provocar un incremento de temperatura en
el sensor. Luego con un multímetro se obtuvo la magnitud de corriente en función
de la temperatura indicada por el transmisor.
TIT_202 [°C] I(mA) 10 13,92 20 14,91 30 14,92 40 15,42 50 15,92 60 16,42 70 16,93
Tabla 6.2 Variación de corriente en los TIT
158
Prueba de los transmisores de temperatura
13
13,5
14
14,5
15
15,5
16
16,5
17
17,5
0 20 40 60 80
Temperatura [ºC]
Cor
rient
e [m
A]
I(mA)
Fig 6.3 Gráfico de la tabla 6.2
Con los valores de las tablas 6.2 y 6.3 y con valores obtenidos en campo se
elaboró la siguiente tabla de escalamiento que constituye la relación entre la
temperatura indicada por los transmisores y la señal de entrada del PLC:
TIT202 [°C] Señal a la entrada del PLC
0 0 12 6206 21 6468 30 6787 40 7088 51 7428 57 7627 61 7744 66 7914 72 8125 80 8375 89 8657 92 8775 100 9025 110 9300
Tabla 6.3 Relación de temperatura y señal de entrada
159
Entrada del PLC Vs Temperatura
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
0 50 100 150
Temperatura [ºC]
Ent
rada
PLC
Señal a la entrada delPLC
Fig. 6.4 Relación de temperatura y señal de entrada
Pruebas del variador de velocidad
Para el variador de velocidad se comprobó que exista una relación lineal entre la
variación de velocidad del motor y las variaciones de corriente y voltaje de las
señales del PLC:
out análoga PLC V [V] I [mA] in análoga PLC RPM
0 0 0,98 2826 500 500 0,49 0,98 3180 563 1000 0,99 1,98 3542 627 1500 1,49 2,98 3907 692 2000 1,99 3,98 4274 757 2500 2,49 4,97 4639 820 3000 2,99 5,98 5006 886 3500 3,49 6,97 5364 950 4000 3,99 7,98 5733 1015 4500 4,49 8,97 6101 1080 5000 5,06 9,98 6460 1143 5500 5,5 10,97 6826 1207 6000 6 11,98 7197 1273 6500 6,5 12,97 7553 1336 7000 7 13,98 7922 1401 7500 7,5 19,97 8288 1406 8000 8 15,98 8653 1530
160
8500 8,5 16,97 9013 1593 9000 9 17,98 9367 1659 9500 9,5 18,97 9749 1722
10000 10 19,97 10135 1791
Tabla 6.4 Velocidad del motor y magnitudes de corriente y voltaje.
SEÑAL DE CORRIENTE VS RPM
0
5
10
15
20
25
0 500 1000 1500 2000
RPM
mA I [mA]
Fig. 6.5 Variación de la señal de corriente en función de las rpm.
Voltaje Vs RPM
0
2
4
6
8
10
12
0 500 1000 1500 2000
Velocidad [RPM]
Vol
taje
[V]
V [V]
Fig. 6.6 Variación de la señal de voltaje en función de las rpm.
161
Pruebas de la servo-válvula
Se comprobó la relación lineal entre la salida entregada por el PLC y el porcentaje
de apertura de la servo-válvula:
P0: porcentaje visualizado en la servo-válvula
P1: porcentaje de apertura del vástago.
SALIDA ANALOGA PLC P0 P14 0 0,7 0
100 0,7 1 200 0,7 2 300 3 3 400 4 4 500 5 5 1000 10,1 10 1500 15 15 2000 20,1 20 2500 25,1 25 3000 30,1 30 3500 35,1 35 4000 40,2 40 4500 45 45 5000 50,2 50 5500 55,1 55 6000 60,2 60 6500 65,2 65 7000 70,2 70 7500 75,2 75 8000 80,2 80 8500 85,2 85 9000 90,2 90 9500 95,2 95
10000 99,6 100 10500 100,1 105
Tabla 6.5 Relación de linealidad de la servo-válvula.
162
0
20
40
60
80
100
120
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Por
cent
aje
de a
pert
ura
Salida análoga PLC
Pruebas de la servo-válvula
P0
Fig. 6.7 Curva de la tabla 6.5
6.4 PRUEBAS SOBRE EL VARIADOR DE VELOCIDAD DEL
TANQUE MQ5
Para obtener la relación entre la frecuencia del variador de velocidad del tanque
MQ5 y la salida de la señal de voltaje proporcionada por este variador se
realizaron las mediciones indicadas en la siguiente tabla:
Frec [Hz] Voltaje [V] In análoga PLC 1 0,3 304 2 0,49 491 3 0,68 679 4 0,87 874 5 1,07 1067 6 1,27 1266 7 1,45 1453 8 1,65 1652 9 1,86 1853 10 2,05 2044 11 2,24 2236 12 2,43 2424 13 2,64 2630
163
14 2,83 2816 16 3,22 3208 18 3,6 3586 20 4 3971 22 4,39 4367 24 4,67 4749 26 5,16 5130 28 5,55 5519 30 5,97 5933 32 6,33 6300 34 6,73 6699 36 7,1 7069 38 7,5 7467 40 7,89 7848
42,1 8,29 8247 44,1 8,69 8642 45,8 9,01 8970 48 9,45 9405 50 9,88 98728 50 10,66 10 500
Tabla 6.6 Relación de linealidad del VV del tanque MQ5.
Frecuencia del variador del tanque MQ5
0
2
4
6
8
10
12
0 10 20 30 40 50 60
Frecuencia [Hz]
Vol
taje
[V
]
Voltaje [V]
Fig. 6.8 Curva de la tabla 6.6
6.5 PRUEBAS FINALES
Como pruebas finales se comprobaron los tres modos de operación del sistema,
los mensajes entregados por la terminal de operador y por la HMI del computador
164
y se estudiaron las curvas de temperatura del proceso. Se simularon diversas
fallas para comprobar los mensajes de alarma.
Fig. 6.9 Curva del proceso.
Fig. 6.10 Curvas de temperatura en el tanque MQ6 y en el condensador.
165
6.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS
Las pruebas de continuidad realizadas entre los equipos permitieron comprobar
las conexiones eléctricas y corregir algunos errores de conexión, por lo que es
importante que se realicen antes de energizar los tableros de control.
En las pruebas realizadas a las entradas y salidas análogas del PLC se demostró
que la variación de la temperatura es en forma lineal, por lo que no es necesario
realizar ningún tipo de compensación matemática en el PLC.
Con el nuevo sistema de control ya es posible tener un registro de las
temperaturas y alarmas durante el proceso de elaboración de resina en el tanque
MQ6 y en base a la curva de calentamiento del proceso obtenida (ver Fig. 6.9) se
puede analizar lo siguiente:
La pendiente de calentamiento a 70°C es variable ya que depende del uso que se
le esté dando al caldero (Fig. 6.9 zona1), es decir que si el caldero está siendo
utilizado para calentar otros tanques mezcladores la etapa de calentamiento del
tanque MQ6 puede llegar a demorar hasta dos horas, mientras que si el caldero
está siendo usado para calentar solo al tanque MQ6 esta etapa puede durar
aproximadamente una hora.
Durante la etapa de agitación de la mezcla a 70°C ( Fig. 6.9 zona 2) se puede
observar que existen unos picos de temperatura, esto se debe a que el sistema
controla la temperatura del tanque MQ6 en un intervalo comprendido entre los 70
y 75°C. La servo-válvula sirve para atenuar estos p icos.
Después de la etapa de mezcla a 70°C durante una ho ra se verifica si el
paraformaldehído se ha disuelto completamente en el butanol ya que en ciertas
ocasiones se requiere prolongar este tiempo, razón por la que con la válvula
proporcional se regula la temperatura dentro de la tolerancia permitida del
proceso hasta que la muestra de la resina (obtenida por el operador) confirme que
166
se ha disuelto el paraformaldehído. Esta regulación de temperatura se puede
observar en la Fig. 6.9 zona2.
Para las etapas de calentamiento a 95°C durante 25 minutos (Fig. 6.9 zona 3) y
para la etapa de enfriamiento hasta alcanzar los 80°C (Fig. 6.9 zona 4) no se
requiere acción alguna por parte del operador.
El sistema realiza el control de temperatura durante todo el proceso para
garantizar que no se sobrepase en el tanque mezclador MQ6 la temperatura límite
de 106°C como se observa en la Fig. 6.9 zona 5.
El control de temperatura del tanque MQ6 se efectuó sin ningún problema
llegando a cumplir con los requerimientos de Pinturas Cóndor en lo referente a la
calidad de la resina.
El tiempo de calentamiento del tanque MQ6 depende de la presión del vapor de
agua dentro del tubo de calentamiento. Cuando tenemos mayor presión de vapor
de agua el tiempo disminuye, en cambio si tenemos menor presión del vapor de
agua, el tiempo de calentamiento aumenta.
La temperatura a la entrada del condensador (Fig. 6.10 zona A) crece
significativamente a partir de la etapa de calentamiento a 95°C y durante la etapa
de separación de agua y butanol la temperatura se encuentra por encima de los
75°C lo cual se encuentra dentro de los límites nor males del proceso. Luego se
presenta una variación en el valor de la temperatura provocada por la salida del
agua del proceso (Fig. 6.10 zona B).
La temperatura a la salida del condensador (Fig. 6.10 zona C) permanece dentro
de valores inferiores hasta que ocurre la etapa de calentamiento a 95°C. Luego de
esta etapa se produce un incremento drástico de temperatura durante las
primeras 2 horas de la etapa de separación de agua (Fig. 6.10 zona D). Esto
ocurre porque el líquido condensado acapara la mayor parte de energía térmica
del condensador. En las horas finales de la etapa de separación de agua (Fig.
167
6.10 zona E) tenemos una temperatura variable debido a que la mayor parte del
agua residual salió del tanque MQ6.
Los mensajes de alerta sobre el incremento excesivo de la temperatura en la
entrada y a la salida del condensador se dieron oportunamente para que el
operador accione las torres de enfriamiento.
Cuando la temperatura en el tanque MQ6 llega hasta los 106°C el sistema enfría
el tanque hasta que la temperatura baje a los 100°C . En la curva del proceso (ver
Fig. 6.9 zona 6) podemos observar que mientras baja la temperatura del tanque
MQ6 la temperatura a la entrada y a la salida del condensador bajan también.
Esto se debe a que los gases que provienen del tanque MQ6 transfieren energía
térmica al condensador por lo que si se enfría el tanque MQ6 se enfrían los gases
que entran al condensador y desciende la temperatura a la salida del mismo.
El enfriamiento automático del tanque MQ6 evita que se sobrepasen temperaturas
consideradas peligrosas en el proceso.
Se logró reducir los tiempos muertos en cuanto al calentamiento y enfriamiento
del tanque MQ6 pero todavía existen retrasos en los intervalos en los que se
carga la materia prima debido a que se continúa realizando en forma manual
como se explicó en el capítulo 2 sección 2.2.1.
La curva de temperatura en el modo semi-automático sigue satisfactoriamente el
mismo patrón de la curva ideal del proceso, dentro de la tolerancia permitida y
existe una regulación más adecuada de la temperatura del tanque MQ6.
El proyecto de automatización del tanque MQ6 es considerado por Pinturas
Cóndor como un proyecto que aportó positivamente a la optimización del proceso.
168
CAPÍTULO 7
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
169
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 CONCLUSIONES
De las pruebas realizadas en el capítulo 6 se puede concluir que con la
automatización del proceso de elaboración de la resina de úrea-
formaldehído se aportó positivamente a la fiabilidad del proceso, ya que se
obtuvo un sistema más seguro, confiable, versátil y menos sensible a
cambios externos que pueden afectar al producto final.
El nuevo sistema de control garantiza que el proceso de fabricación de la
resina no se detenga por fallas ocurridas en el PLC ya que tiene un modo
totalmente manual a través de pulsantes e independiente del PLC.
El comportamiento de la curva de temperatura en el tanque mezclador
MQ6 obtenida con el nuevo sistema de control cumple con los parámetros
y tolerancias establecidos por la curva ideal del proceso.
Se logró realizar el control de la temperatura en el tanque MQ6 con la
regulación del flujo de vapor de agua que circula por el tubo de
calentamiento y con el flujo de agua fría que circula por el tubo serpentín
en el momento oportuno.
El control automático de temperatura del tanque MQ6, cuando efectúa las
etapas de calentamiento ó enfriamiento, permite que el operador pueda
cumplir con otras actividades y evita que esté pendiente todo el tiempo del
tanque MQ6.
Con el nuevo sistema de control se dispone de dos interfaces HMI (una
para la computadora y otra para la terminal de operador), las cuales
permiten monitorear y controlar el proceso de elaboración de resina en
170
tiempo real y además entregan información muy importante para el análisis
del proceso.
El registro de la temperatura del tanque mezclador MQ6 y del condensador
se guarda en la interfaz HMI de la computadora, sirve para identificar los
errores que se pueden dar en cada lote de producción y da pautas para
mejorar el proceso.
Los tiempos para el reconocimiento de alarmas y de carga de materia
prima han disminuido debido a la implementación del sistema de control
que permite avisar oportunamente al operador sobre la etapa
correspondiente del proceso y el tipo de alarma ocurrida.
El número de eventos que generan alarmas son menores que cuando no
se tenía automatizado el tanque mezclador MQ6.
Con el nuevo sistema de control se logró reducir los tiempos muertos en
las etapas de calentamiento y enfriamiento del tanque MQ6, sin embargo
todavía existen tiempos muertos en la carga de materia prima debido a que
se continúa efectuando en forma manual.
De las pruebas realizadas al variador de velocidad existente en la planta de
Pinturas Cóndor para el tanque MQ6, se comprobó que funciona
adecuadamente a pesar de que es de menor capacidad al que se obtuvo
en el cálculo, esto se debe a que el motor se encuentra
sobredimensionado, es decir que no está utilizando su potencia nominal.
171
7.2 RECOMENDACIONES
Colocar un recubrimiento térmico para el tanque MQ6 para disminuir el
tiempo de calentamiento del tanque y por tanto reducir el uso del caldero y
ahorrar combustible para el mismo.
Realizar un programa para ingresar los valores de consigna de la
temperatura del proceso desde la computadora.
Colocar displays cerca de los tanques TQ_01 y TQ_02 para facilitar la
lectura del peso de los mismos.
Colocar otro filtro separador para mejorar la calidad del aire que ingresa al
tablero neumático TN_01.
Colocar una válvula neumática en la tubería de descarga para permitir el
paso de butanol desde el tanque TQ_02 hacia el tanque MQ6.
Colocar una válvula neumática en la tubería de descarga para descargar el
regulador de PH ácido desde el tanque TQ_01 hacia el tanque MQ6.
Ubicar el control manual (por palanca) de la tolva a una altura de 1.5m
sobre la plataforma donde se encuentra el operador para facilitar la
descarga de úrea en el tanque MQ6.
Colocar una válvula neumática en la tubería inferior del tanque separador
para el facilitar la salida de agua hacia el tanque de agua residual.
En base al análisis realizado al variador de velocidad se recomienda el
cambio del motor del tanque MQ6 por otro motor de alta eficiencia y menor
potencia debido a que está sobredimensionado y al no trabajar a su
172
potencia nominal tiene un bajo factor de potencia lo que produce gastos
innecesarios a la industria.
Se recomienda que posteriormente se considere el control de nivel en el
tanque separador utilizando sensores de nivel ultrasónicos no corrosivos y
válvulas neumáticas inoxidables que sirven para controlar la salida de agua
hacia el tanque residual y el retorno de butanol hacia el tanque MQ6, ya
que constituye una parte crítica en el proceso.
Adquirir una tarjeta de expansión de memoria para el PLC si se desea
realizar ampliaciones del proyecto.
173
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- ANGULO, Pablo. “Diagramas de control industrial”. Ed: Escuela Politécnica
Nacional, año 1990, Quito-Ecuador.
- CORRALES, Luis. “Curso Introductorio de InTouch”. Ed: Escuela Politécnica
Nacional, año 2005, Quito – Ecuador.
- CORRALES, Luis. “Instrumentación Industrial”. Ed: Escuela Politécnica
Nacional, año 2004, Quito – Ecuador.
- FITZGERALD, E. “Máquinas Eléctricas”. Ed: Mc Graw Hill, año 1996,
México.
- HARPER Gilberto, “Manual de instalaciones eléctricas residenciales e
industriales”. Ed: Limusa, 2nda edición, año 1987, México.
- MOLINA, Jorge. “Control Industrial”. Ed: Escuela Politécnica Nacional año
1990, Quito-Ecuador.
- ROLDÁN, José. “Neumática, hidráulica y electricidad aplicada”. Ed:
Paraninfo 9na edición, año 2000, España.
- TELEMECANIQUE. “Manual Electrotécnico Telesquemario” Schneider
Electric, año 1999, España.
- TELEMECANIQUE. “Manual de usuario de la terminal de operador Magelis”
Schneider Electric, año 2007.
- Tutorial software Vijeo Designer del mes de septiembre, año 2006.
174
- Manual del convertidor de frecuencia CFW-09 versión 2.6X del mes de abril,
año 2004.
Páginas web:
www.elsystec.com.ec
www.electromatica.cl/36_13_IP_NEMA.htm
www.pinturascondor.com
www.nema.org/stds/results.cfm?srchString=NEMA+4X&UserSelectedSubSites
www.telemecanique.com
www.weidmuller.com
175
ANEXOS
