Post on 10-Oct-2018
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE QUITO
CARRERA:
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
Trabajo de titulación previo a la obtención del título de:
INGENIERO ELECTRÓNICO
TEMA:
DESARROLLO DE UN MÓDULO DE PRUEBAS CON EQUIPOS OPTO 22
PARA LA EMPRESA SORTRONIC
AUTOR:
DIEGO XAVIER NARVÁEZ MORA
DIRECTOR:
ANÍBAL ROBERTO PÉREZ CHECA
Quito, diciembre de 2016
CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR
Yo Diego Xavier Narváez Mora, con documento de identificación N° 1717837254,
manifiesto mi voluntad y cedo a la Universidad Politécnica Salesiana la titularidad
sobre los derechos patrimoniales en virtud de que soy autor del trabajo de titulación
intitulado: DESARROLLO DE UN MÓDULO DE PRUEBAS CON EQUIPOS
OPTO 22 PARA LA EMPRESA SORTRONIC, mismo que ha sido desarrollado para
optar por el título de: Ingeniero Electrónico, en la Universidad Politécnica Salesiana,
quedando la universidad facultada para ejercer plenamente los derechos cedidos
anteriormente.
En aplicación a lo determinado en la Ley de Propiedad Intelectual, en mi condición de
autor me reservo los derechos morales de la obra antes citada. En concordancia,
suscribo este documento en el momento que hago entrega del trabajo final en formato
impreso y digital a la Biblioteca de la Universidad Politécnica Salesiana.
Quito, diciembre de 2016
…………………………….
Diego Xavier Narváez Mora
C.I: 1717837254
DECLARATORIA DE COAUTORÍA DEL DOCENTE TUTOR
Yo declaro que bajo mi dirección y asesoría fue desarrollado el trabajo de titulación,
DESARROLLO DE UN MÓDULO DE PRUEBAS CON EQUIPOS OPTO 22 PARA
LA EMPRESA SORTRONIC realizado por Diego Xavier Narváez Mora, obteniendo
un producto que cumple con todos los requisitos estipulados por la Universidad
Politécnica Salesiana, para ser considerados como trabajo final de titulación.
Quito, diciembre de 2016
…………………………….
Roberto Aníbal Pérez Checa
C.I: 1711423440
DEDICATORIA
Primeramente, a Dios por haberme permitido culminar una etapa más en mi vida y por
guiarme en toda mi carrera profesional.
A mi amada madre, Clarita quien ha sido un pilar fundamental en mi formación como
profesional, quien con su constancia y cariño ha sabido formarme con buenos valores
y sentimientos, brindándome todo su apoyo incondicional en los momentos más
difíciles de mi vida.
A mi hermano, Marco Vinicio que siempre ha estado junto a mí apoyándome, muchas
veces poniéndose en el papel de padre.
A mis abuelitos Humberto y Lolita mis segundos padres, quienes supieron criarme y
aconsejarme de la mejor manera brindándome una infancia inolvidable, y que a pesar
que no se encuentren físicamente, permanecerán eternamente en mi memoria y en mi
corazón.
Y a toda mi familia, que es lo mejor y más valioso que Dios me ha dado.
Diego
AGRADECIMIENTO
A mi querida Universidad, quien me abrió las puertas para ser un profesional digno de
un salesiano, de la que llevo la mejor etapa de mi vida y recuerdos que nunca olvidaré.
A mi tutor, Ing. Roberto Pérez quien ha sido más que un maestro un amigo sincero,
que ha brindado tiempo, consejos y dedicación a este proyecto.
A mis maestros, que con su sabiduría, interés y entrega supieron inculcarme
conocimientos consistentes para formarme profesionalmente. Les recordaré siempre.
A mis amigos y compañeros de clase, con los que he compartido grandes momentos,
de quienes llevaré un gran aprecio.
Diego
ÍNDICE DE CONTENIDO
CAPÍTULO 1 .............................................................................................................. 1
ANTECEDENTES ..................................................................................................... 1
1.1 Introducción ....................................................................................................... 1
1.2 Justificación ........................................................................................................ 1
1.3 Objetivos ............................................................................................................ 2
CAPÍTULO 2 .............................................................................................................. 3
CONTROL DE PROCESO ....................................................................................... 3
2.1 Generalidades ..................................................................................................... 3
2.2 Sistemas de control ............................................................................................ 3
2.3 Sistema de control .............................................................................................. 4
2.3.1 Definición .................................................................................................... 4
2.4 Tipos de control.................................................................................................. 4
2.4.1 Control en Lazo Abierto .............................................................................. 4
2.4.2 Control en Lazo Cerrado ............................................................................ 5
2.5 Comparación entre sistemas de control en lazo abierto y cerrado ..................... 6
2.6 Sistema de control distribuido (DSC) ................................................................ 6
2.7 Sistema de control centralizado ......................................................................... 7
2.7.1 Comparación entre sistemas de control distribuido y centralizado ........... 8
2.7.2 Ventajas de los sistemas distribuidos respecto a los sistemas centralizados
.............................................................................................................................. 8
2.8 Niveles de automatización ................................................................................. 9
2.9 Sistema SCADA .............................................................................................. 10
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................ 11
OPTO 22 ................................................................................................................... 11
3.1 Generalidades ................................................................................................... 11
3.2 Acerca de la marca ........................................................................................... 11
3.3 Software ioProject v7.1 .................................................................................... 13
3.3.1 ioControl ................................................................................................... 13
3.3.2 ioManager ................................................................................................. 14
3.3.3 ioDisplay Configurator ............................................................................. 14
3.3.4 ioDisplay Runtime ..................................................................................... 14
3.4 Reseña y calidad ............................................................................................... 14
3.5 Productos .......................................................................................................... 15
3.6 Evolución del sistema SNAP ........................................................................... 15
3.6.1 Sistema de SNAP PAC .............................................................................. 15
3.6.2 Controladores SNAP PAC (Controladores para la Automatización
Programables) ................................................................................................... 15
3.6.3 Software PAC Project ............................................................................... 16
3.6.4 Brains SNAP PAC ..................................................................................... 16
3.6.5 E/S SNAP (I/O) ......................................................................................... 16
3.7 Soporte técnico gratuito ................................................................................... 16
3.8 Entrenamiento gratuito a clientes ..................................................................... 17
3.9 Compra de productos OPTO 22 ....................................................................... 17
3.10 Sistemas SNAP PAC- Controladores ............................................................ 17
3.10.1 Controlador SNAP-PAC-R1 ................................................................... 18
3.10.2 Controlador SNAP-PAC-R1-W ............................................................... 19
3.10.3 Controlador SNAP-PAC-S1 .................................................................... 20
3.11 Sistemas SNAP PAC- Software ..................................................................... 21
3.12 Estructura externa del controlador SNAP-LCE ............................................. 22
3.12.1 Estructura interna del controlador SNAP-LCE ...................................... 22
3.12.2 Estructura externa del controlador SNAP-ULTIMATE-UP1-ADS ........ 23
3.12.3 Estructura interna del controlador SNAP-ULTIMATE-UP1-ADS ......... 24
3.12.3.1 Placa Superior .................................................................................. 24
3.12.3.2 Placa intermedia (Doble capa) ......................................................... 24
3.12.3.3 Placa Inferior .................................................................................... 25
3.13 Comparación de precios con equipos de características similares ................. 25
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................ 27
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN ......................................................................... 27
4.1 Generalidades ................................................................................................... 27
4.2 Procedimiento de construcción de la planta de proceso secuencial ................. 27
4.2.1 Estructura de la planta ............................................................................. 27
4.3 Elementos utilizados en el proceso secuencial................................................. 30
4.4 Estructura de utilización ................................................................................... 31
4.4.1 Características técnicas del controlador Snap-Lce .................................. 31
4.4.2 Características técnicas del Brain Snap-Enet-S64 ................................... 32
4.4.3 Descripción de leds de estado y actividad del Brain Snap-Enet-S64 ....... 33
4.5 Diseño del proceso secuencial ......................................................................... 33
4.6 Conexionado de los módulos utilizados en el proceso secuencial ................... 36
4.7 Elaboración de la estrategia de control ............................................................ 37
4.7.1 Chart PowerUp ......................................................................................... 37
4.7.2 Diagrama lógico del proceso secuencial .................................................. 37
4.8 Diagrama neumático ........................................................................................ 38
4.9 Cálculo de fuerza.............................................................................................. 39
4.9.1 Fuerza en cilindros .................................................................................... 41
4.10 Procedimiento de construcción de la planta de proceso continuo.................. 42
4.10.1 Estructura de la planta ........................................................................... 43
4.11 Elementos utilizados en el proceso continuo ................................................. 45
4.12 Estructura de utilización ................................................................................. 45
4.12.1 Características técnicas del controlador Snap-Ultimate-UP1-ADS ...... 46
4.12.2 Descripción de leds de estado y actividad del controlador Snap-Ultimate-
UP1-ADS ............................................................................................................ 47
4.13 Diseño del proceso continuo .......................................................................... 47
4.14 Conexionado de los módulos utilizados en el proceso continuo.................... 50
4.15 Elaboración de la estrategia de control .......................................................... 50
4.15.1 Chart PowerUp ....................................................................................... 50
4.15.2 Diagrama lógico Chart comunicación.................................................... 51
4.15.3 Diagrama lógico del proceso continuo ................................................... 51
4.15.4 Diagrama lógico del Chart histéresis ..................................................... 52
4.16 Diagrama lógico HMI .................................................................................... 53
4.17 Secuencia Charts ioControl ............................................................................ 53
4.17.1 Chart sistema .......................................................................................... 53
4.17.2 Chart inicio ............................................................................................. 54
4.17.3 Chart histéresis ....................................................................................... 54
4.17.4 Chart ventilador ...................................................................................... 55
4.18 HMI general ................................................................................................... 55
4.19 HMI proceso secuencial ................................................................................. 56
4.20 HMI proceso continuo.................................................................................... 57
4.21 Diseño tablero de control ............................................................................... 57
CAPÍTULO 5 ............................................................................................................ 62
PRUEBAS Y RESULTADOS ................................................................................. 62
5.1 Generalidades ................................................................................................... 62
5.2 Pruebas en el proceso secuencial ..................................................................... 62
5.3 Estudio comparativo del proceso secuencial.................................................... 62
5.3.1 Pruebas de tiempo ..................................................................................... 62
5.3.2 Pruebas de eficiencia ................................................................................ 63
5.4 Pruebas en el proceso continuo ........................................................................ 64
5.5 Mediciones con el sensor de temperatura LM35 ............................................. 64
5.6 Estudio comparativo del proceso continuo ...................................................... 65
5.6.1 Pruebas de tiempo ..................................................................................... 65
5.6.2 Pruebas de eficiencia ................................................................................ 66
5.7 Exportación de datos del proceso secuencial a software comercial ................. 67
5.8 Exportación de datos del proceso continuo a software comercial ................... 68
CONCLUSIONES .................................................................................................... 69
RECOMENDACIONES .......................................................................................... 71
LISTA DE REFERENCIAS ................................................................................... 72
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Diagrama de un sistema convencional ...................................................... 3
Figura 2.2. Diagrama de un sistema de control ............................................................ 4
Figura 2.3. Diagrama de un sistema de control en lazo abierto ................................... 5
Figura 2.4. Diagrama de un sistema de control en lazo cerrado .................................. 5
Figura 2.5. Estructura control distribuido .................................................................... 7
Figura 2.6. Estructura control centralizado .................................................................. 8
Figura 2.7. Pirámide de la automatización ................................................................... 9
Figura 2.8. Sistema SCADA ...................................................................................... 10
Figura 3.1. Línea SNAP de productos Opto 22 .......................................................... 11
Figura 3.2. Productos Mistic ...................................................................................... 12
Figura 3.3. Sistema Snap ............................................................................................ 12
Figura 3.4. Figuras ioControl ..................................................................................... 13
Figura 3.5. Controlador Snap-Pac-R1 ........................................................................ 18
Figura 3.6. Conexión serial RS-232 Snap-Pac-R1 ..................................................... 19
Figura 3.7. Controlador Snap-Pac-R1-W ................................................................... 19
Figura 3.8. Controlador Snap-Pac-S1 ........................................................................ 20
Figura 3.9. Controlador Snap-Lce .............................................................................. 22
Figura 3.10. Componentes internos del controlador Snap-Lce .................................. 23
Figura 3.11. Controlador Snap-Ultimate-Up1-ADS .................................................. 23
Figura 3.12. Componentes internos placa superior Snap-Ultimate-Up1-ADS ......... 24
Figura 3.13. Componentes internos placa intermedia Snap-Ultimate-Up1-ADS ...... 25
Figura 3.14. Componentes internos placa inferior Snap-Ultimate-Up1-ADS ........... 25
Figura 4.1. Diseño distributivo proceso secuencial ................................................... 28
Figura 4.2. Tablero frontal proceso secuencial. ......................................................... 31
Figura 4.3. Controlador Snap-Lce .............................................................................. 31
Figura 4.4. Brain Snap-Enet-S64 ............................................................................... 32
Figura 4.5. Descripción de leds del Brain Snap-Enet-S64 ........................................ 33
Figura 4.6. Envase y tapa metálica............................................................................. 34
Figura 4.7. Elementos montados del control secuencial ............................................ 35
Figura 4.8. Montaje inicial proceso secuencial .......................................................... 36
Figura 4.9. Presentación final proceso secuencial ..................................................... 36
Figura 4.10. Chart PowerUp proceso secuencial ....................................................... 37
Figura 4.11. Diagrama lógico del proceso secuencial................................................ 38
Figura 4.12. Diagrama neumático proceso secuencial ............................................... 38
Figura 4.13. Diagrama de cuerpo libre (DCL) ........................................................... 39
Figura 4.14. Lazo de histéresis. .................................................................................. 42
Figura 4.15. Diseño distributivo proceso continuo .................................................... 43
Figura 4.16. Colocación del horno eléctrico ............................................................. 46
Figura 4.17. Controlador Snap-Ultimate-Up1-ADS .................................................. 46
Figura 4.18. Descripción de leds del controlador Snap-Ultimate-Up1-ADS ........... 47
Figura 4.19. Elementos montados del control continuo ............................................. 48
Figura 4.20. Colocación de pulsadores y comunicación RS-232............................... 49
Figura 4.21. Colocación de LCD 16×2 ...................................................................... 49
Figura 4.22. Chart PowerUp proceso continuo .......................................................... 50
Figura 4.23. Diagrama lógico (comunicación). ......................................................... 51
Figura 4.24. Diagrama proceso continuo ................................................................... 52
Figura 4.25. Diagrama lógico Chart histéresis ........................................................... 52
Figura 4.26. Diagrama lógico HMI ........................................................................... 53
Figura 4.27. Diagrama de flujo Chart Sistema ........................................................... 53
Figura 4.28. Diagrama de flujo Chart Inicio .............................................................. 54
Figura 4.29. Diagrama de flujo Chart Histéresis........................................................ 54
Figura 4.30. Diagrama de flujo Chart Ventilador ...................................................... 55
Figura 4.31. HMI ventana principal ........................................................................... 56
Figura 4.32. HMI ventana proceso secuencial ........................................................... 56
Figura 4.33. HMI ventana proceso continuo. ............................................................. 57
Figura 4.34. Diagrama lineal del tablero de control................................................... 58
Figura 4.35. Diagrama dimensional tablero de control .............................................. 58
Figura 4.36. Montaje y distribución del tablero de control ........................................ 60
Figura 5.1. Cambio de pulsador en el proceso secuencial ......................................... 62
Figura 5.2. Cambio de sensor en el proceso continuo................................................ 64
Figura 5.3. Trend proceso continuo ........................................................................... 66
Figura 5.4. Trend aplicando perturbación .................................................................. 67
Figura 5.5. Datos Microsoft Excel proceso secuencial. ............................................. 67
Figura 5.6. Informe proceso secuencial en Microsoft Access ................................... 68
Figura 5.7. Datos Microsoft Excel proceso continuo ................................................. 68
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1. Controladores Snap Pac ............................................................................ 17
Tabla 3.2. Estado y actividad de los leds controlador Snap Pac-R1 .......................... 18
Tabla 3.3. Descripción de leds controlador Snap Pac-R1-W ..................................... 20
Tabla 3.4. Estado y actividad de los leds controlador Snap Pac-S1 .......................... 21
Tabla 3.5. Software Snap Pac .................................................................................... 21
Tabla 3.6. Comparación de precios de PLC´S comercializados en Ecuador ............. 26
Tabla 4.1. Área total de elementos montados en el panel frontal proceso secuencial 28
Tabla 4.2. Área total de elementos montados en el panel lateral derecho proceso
secuencial ................................................................................................................... 29
Tabla 4.3. Área total de elementos montados en el panel inferior proceso secuencial
.................................................................................................................................... 29
Tabla 4.4. Descripción de elementos utilizados en el proceso secuencial ................. 30
Tabla 4.5. Características técnicas del controlador SNAP-LCE ................................ 32
Tabla 4.6. Características técnicas del Brain SNAP-ENET-S64 ............................... 32
Tabla 4.7. Corriente total de los elementos del proceso secuencial ........................... 35
Tabla 4.8. Conexionado de los módulos SNAP IDC5 y SNAP OAC5-i ................... 37
Tabla 4.9. Coeficientes de Fricción ........................................................................... 39
Tabla 4.10. Características del compresor ................................................................. 41
Tabla 4.11. Área total de elementos montados en el panel frontal proceso continuo 44
Tabla 4.12. Área total de elementos montados en el panel inferior proceso continuo
.................................................................................................................................... 44
Tabla 4.13. Descripción de elementos utilizados en el proceso continuo .................. 45
Tabla 4.14. Características técnicas del controlador SNAP-ULTIMATE-UP1-ADS 47
Tabla 4.15. Conexionado de los módulos SNAP IDC5 y SNAP OAC5 ................... 50
Tabla 4.16. Elementos Tablero de control ................................................................. 59
Tabla 4.17. Canaletas Tablero de control................................................................... 59
Tabla 4.18. Dimensiones nominales de tableros ........................................................ 60
Tabla 4.19. Descripción de puertos Ethernet del switch ............................................ 61
Tabla 5.1. Prueba de tiempo del control distribuido vs. control centralizado proceso
secuencial ................................................................................................................... 63
Tabla 5.2. Prueba de eficiencia del control distribuido vs. control centralizado proceso
secuencial ................................................................................................................... 63
Tabla 5.3. Mediciones sensor LM35 .......................................................................... 65
Tabla 5.4. Comparación de tiempo del control distribuido vs. control centralizado
proceso continuo ........................................................................................................ 65
Tabla 5.5. Comparación de eficiencia del control distribuido vs. control centralizado
proceso continuo ........................................................................................................ 66
RESUMEN
Opto 22 brinda soluciones de control para una amplia variedad de aplicaciones donde
se requiera fiabilidad y seguridad, su software y hardware es utilizado para
aplicaciones de adquisición de datos, control de procesos y monitoreo remoto SCADA,
mediante dispositivos modulares y compactos con aislamiento óptico. Opto 22 brinda
una garantía de por vida a sus productos, lo que acreditado gran aceptación de los
usuarios a nivel mundial.
Los equipos Opto 22 se presentan como una alternativa adecuada para la elaboración
de proyectos de automatización y control industrial debido a su alta velocidad de
respuesta para los procesos. Es por esto que el desarrollo de un módulo de pruebas con
equipos Opto 22, demuestra las potencialidades de los equipos como sistemas de
control centralizado o distribuido (DSC), el cual está formado por dos procesos a
pequeña escala: el de tapado de envases metálicos que muestra el cumplimiento del
proceso secuencial debido a su utilización en industrias de producción en masa, donde
uno de sus principales elementos de trabajo es el aire comprimido; y el de temperatura
por histéresis que indica el proceso continuo que se los encuentra en sistemas de
enfriamiento y la industria metalúrgica.
De los procesos elaborados se obtuvo como resultados, que el sistema centralizado
presenta mayor rapidez sobre el sistema distribuido. Por otro lado, en este trabajo se
definen fundamentos teóricos relacionados con el control de procesos secuenciales y
continuos, sus ventajas, comparaciones, características, diagramas y una visión de la
evolución de la marca Opto 22.
ABSTRACT
Opto 22 offers control solutions for a wide variety of applications that require
reliability and security, its software and hardware is used for data acquisition, process
control applications and monitoring remote SCADA, using modular and compact
devices with optical isolation. Opto 22 offers a guarantee of by life to its products,
wich is widely accepted by users around the world.
Opto 22 teams are presented as a suitable alternative for the elaboration of projects of
automation and industrial control due to its high speed of response processes. This is
that development of a module of tests with Opto 22 teams, demonstrates the potential
teams as system of centralized or distributed control (DSC), which is formed by two
small scale processes: the capping of metal containers showing compliance with the
sequential process due to use within the industries of mass production where one of its
main work ítems is the compressed air; and the temperature by hysteresis indicating
the continous process that are found in the metallurgical industry and cooling systems.
Elaborate processes was obtained as a result, the centralized system presents greater
quickness on the distributed system. On the other hand, this paper defines theoretical
foundations related to the control of sequential and continous processes, their
advantages, comparisons, features, diagrams and a vision of the evolution of the Brand
Opto 22.
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo de titulación se muestra las características y beneficios de los
equipos Opto 22, para ayudar a la empresa Sortronic a difundir la marca a nivel
nacional para lograr competitividad con marcas posicionadas dentro del país, a través
de la construcción de dos módulos de pruebas a pequeña escala para el control de
procesos secuenciales y continuos.
En el capítulo uno, se presenta un recorrido breve sobre los equipos Opto 22, su sistema
SNAP, sus características generales y objetivos.
En el capítulo dos, se presenta los fundamentos teóricos relacionados con los sistemas
de control, su estructura, ventajas, características y la comparación entre control
distribuido (DSC) y centralizado.
En el capítulo tres, se muestra lo referente a la marca Opto 22, su evolución,
funcionamiento, productos. Además, de una visión general de los componentes
internos, externos y una tabla comparativa de precios con equipos de características
similares.
En el capítulo cuatro, se detalla el diseño y construcción de las plantas a pequeña escala
para el control de procesos secuenciales y continuos, como también su estructura,
características técnicas de equipos, tablero de control y software utilizado para los
procesos. Además de sus distintos enfoques de diseño de programación mediante
diagramas de flujo, adicionalmente se ratifica mediante cálculos las estructuras y
especificaciones generales de la variable temperatura.
En el capítulo cinco, se presentan las pruebas de eficiencia y tiempos de respuesta de
los procesos secuenciales y continuos con sus respectivas tabulaciones de datos.
Además, se muestra las mediciones de la variable temperatura del proceso continuo y
la exportación de datos a Microsoft Excel para posteriormente presentarlos en
Microsoft Access.
1
CAPÍTULO 1
ANTECEDENTES
1.1 Introducción
En la actualidad existe gran variedad de productos para el control de procesos
industriales en el mercado, es por ello que la marca OPTO 22, dentro de su amplia
gama de productos para el desarrollo industrial, introduce el sistema ¨SNAP¨,
unificando los elementos de acción en una plataforma completamente integrada,
agregando mayor potencia y eficiencia con controladores programables,
comunicaciones Ethernet y software HMI de desarrollo, brindando todas las
potencialidades integradas en un software de la marca mencionada.
La empresa ecuatoriana Sortronic dedicada al desarrollo de productos y servicios para
automatización industrial es integrador de la línea de productos a nivel nacional, por
lo que se necesita mostrar dentro de su showroom, las funcionalidades y
potencialidades de los equipos Opto 22, por lo cual se necesita desarrollar y construir
dos módulos a pequeña escala para el control de procesos secuenciales y procesos
continuos que demuestren las prestaciones de estos equipos para el control.
1.2 Justificación
El sistema SNAP de Opto 22, está diseñado para brindar facilidad en la automatización
industrial, creando un DSC (Sistema de control distribuido), que tiene integrado el
controlador y el brain en una misma red, es programable en un lenguaje en diagramas
de flujo (llamados flowcharts, en el lenguaje de Opto 22), poseen puertos Ethernet para
su comunicación, además de funcionar con una serie de protocolos estándares.
Donde los controladores SNAP, proporcionan el control central y la distribución de
datos, mientras los brains SNAP, suministran inteligencia para el procesamiento y
control de entradas y salidas. Los Brains brindan funciones como: analógicas, digitales
y seriales, las cuales contienen control de lazos PID y otras funciones como conteo
digital de alta velocidad (hasta 20 kHz), conteo cuadrático, generación y medida de
pulsos.
2
El problema a resolver radica en que actualmente en el Ecuador la marca Opto 22 no
es conocida y por lo tanto no es comercial dentro del país, a pesar de las grandes
prestaciones que poseen estos equipos, ya que su tecnología brinda una velocidad de
respuesta alta para los procesos.
Dado que la empresa Sortronic, está enfocada en difundir esta tecnología y posicionar
la marca para competitividad con productos de otra marca a nivel nacional, esta
condición hace que este proyecto se constituya en un gran aporte para mostrar las
características de los equipos y proveerá a la fuerza de ventas una herramienta
importante en la obtención de este objetivo empresarial.
1.3 Objetivos
Objetivo general
Desarrollar un módulo de pruebas con equipos Opto 22 para la empresa Sortronic,
para mostrar las potencialidades de los equipos como sistemas de control
centralizado o distribuido.
Objetivos específicos
Realizar un estudio de las características de los equipos Opto 22 para
determinar la viabilidad del control de procesos continuos y secuenciales.
Diseñar e implementar una planta a pequeña escala para el control de
temperatura en lazo cerrado.
Diseñar e implementar una planta a pequeña escala para el control de procesos
secuenciales.
Realizar un estudio comparativo de la respuesta del sistema con un control
centralizado y un control distribuido para determinar la robustez de los equipos.
Diseñar un sistema SCADA para la adquisición, visualización, monitoreo y
exportación de datos a una base de datos de software comercial.
3
CAPÍTULO 2
CONTROL DE PROCESO
2.1 Generalidades
En este capítulo se presenta los fundamentos teóricos relacionados con el control de
procesos secuenciales y continuos, sus ventajas, comparaciones, características y
diagramas.
2.2 Sistemas de control
Sistema: ¨Es el conjunto de componentes que funcionan simultáneamente para
realizar un objetivo específico¨ (Ogata, 2010, pág. 3).
Variable de entrada: Es un estímulo o incitación que se genera desde una fuente de
energía externa para producir una respuesta determinada del sistema de control.
Variable de salida: Es el resultado real obtenido de un sistema de control, que puede
ser igual o no a la respuesta implícita por la entrada.
Perturbación: ¨Es una señal que afecta el resultado de la salida de un sistema, la
misma que puede ser interna si se genera dentro del sistema, o externa si se genera
fuera del sistema y se la considera como entrada¨ (Ogata, 2010, pág. 3).
SISTEMA
Diagrama convencional de un sistema
SISTEMA ENTRADA SALIDA
PERTURBACIÓN
Figura 2.1. Diagrama de un sistema convencional
Elaborado por: Diego Narváez
4
Control Realimentado: ¨Es una operación que actúa en presencia de perturbaciones,
para reducir la diferencia entre la salida y entrada de referencia, tomando en cuenta la
referencia del sistema¨ (Ogata, 2010, pág. 3).
2.3 Sistema de control
2.3.1 Definición
¨Un sistema de control es una unión de componentes que forma una configuración
lógica de un sistema para conseguir un resultado específico¨ (Gomáriz, Biel, Matas, &
Reyes, 2000, pág. 15).
2.4 Tipos de control
2.4.1 Control en Lazo Abierto
¨En un sistema de control en lazo abierto se utiliza un dispositivo de acción para
controlar el proceso de manera directa sin necesitar de realimentación¨ (Gomáriz, Biel,
Matas, & Reyes, 2000, pág. 17).
Es decir, en un sistema de control en lazo abierto la salida no necesita de
realimentación para ser comparada con la entrada. Es necesario acotar que una
perturbación en un control de lazo abierto desequilibra el sistema, en el que el control
no tiene la capacidad de corregir esta variación.
Diagrama de un sistema de control
OBJETIVO
DE
CONTROL
ENTRADA SISTEMA
DE
CONTROL
SISTEMA SALIDA
PERTURBACIÓN
Figura 2.2. Diagrama de un sistema de control
Elaborado por: Diego Narváez
5
En la Figura 2.3 se muestra el diagrama de un sistema de control en lazo abierto.
2.4.2 Control en Lazo Cerrado
¨En un sistema de control en lazo cerrado se usa una parte de la salida y la
realimentación de esta señal para compararla con la referencia¨ (Gomáriz, Biel, Matas,
& Reyes, 2000, pág. 18).
En otras palabras, en un sistema de control en lazo cerrado una muestra de la salida
necesita ser comparada con la referencia para analizar la diferencia entre estos y
continuamente ajustarse de mejor manera hasta reducir el error, es decir, que el sistema
entra en realimentación.
Es por ello que, si existiera una perturbación en un control de lazo cerrado, el
controlador tiene la capacidad de corregir esta variación y estabilizar el sistema.
En la Figura 2.4 se presenta el diagrama de un sistema de control en lazo cerrado.
Diagrama de un sistema de control en lazo abierto
REFERENCIA
ENTRADA DISPOSITIVO
DE
ACTUACIÓN
SALIDA
PROCESO
Figura 2.3. Diagrama de un sistema de control en lazo abierto
Elaborado por: Diego Narváez
Diagrama de un sistema de control en lazo cerrado
PROCESO
MEDIDA
REFERENCIA
Figura 2.4 Diagrama de un sistema de control en lazo cerrado
Elaborado por: Diego Narváez
SALIDA
ERROR
CONTROLADOR COMPARACIÓN
6
2.5 Comparación entre sistemas de control en lazo abierto y cerrado
La ventaja en los sistemas de control en lazo cerrado es que, al tener realimentación,
estos sistemas son más precisos y parcialmente insensibles a perturbaciones y
variaciones dentro del sistema lo que los hace más estables, por ende, más costosos ya
que su construcción implica mayor número de componentes.
Por otro lado, los sistemas de control en lazo abierto mantienen una confiabilidad
aceptable, no se puede tener mucha precisión ya que no poseen parámetros que puedan
ser medidos. Respecto a su construcción, no requieren de gran número de
componentes, lo que lo hacen más sencillos, por lo que sus costos son más baratos.
En el punto de la estabilidad, los sistemas de control en lazo abierto son más difíciles
de lograr, ya que dentro del sistema la estabilidad no es un problema de importancia,
mientras que, en los sistemas de control en lazo cerrado la estabilidad es de gran
importancia ya que se desea tener un proceso de trabajo continuo y poder reducir la
variación que genere el sistema.
Cabe mencionar que para sistemas donde no se genere una perturbación, es mejor
realizar un control en lazo abierto, mientras que para sistemas donde existan
perturbaciones en el sistema se debe realizar un control en lazo cerrado.
Por estas razones se debe analizar el proceso que se va a realizar para escoger el tipo
de control adecuado para obtener el resultado propuesto.
2.6 Sistema de control distribuido (DSC)
¨Un DSC (Distribuited Control System) es una máquina en la que los elementos del
controlador están distribuidos a través del sistema, en el que el controlador principal
toma las decisiones para luego enviarlas a los subsistemas de control que conforman
el DSC¨ (Acedo Sánchez, 2003, pág. 144).
Los DSC son muy empleados en plantas de tratamiento de agua, industria petrolera,
industria acera, industria automotriz, industria farmacéutica, por que brindan mayor
7
fiabilidad en el control y monitoreo, como también la reducción en la tendencia de
errores dentro del sistema.
Los DSC están constituidos por cuatro elementos principales:
Tarjetas de entrada y salida
Procesador de control
HMI
Red de Comunicación
2.7 Sistema de control centralizado
¨Un sistema de control centralizado es un proceso donde solamente un elemento
central toma las decisiones, y es él que se encarga de realizar y enviar todas las
instrucciones de control a los elementos de acción que conforman el proceso¨ (Acedo
Sánchez, 2003, pág. 146).
Diagrama de un sistema de control distribuido
(DSC)
Figura 2.5. Estructura control distribuido
Elaborado por: Diego Narváez
8
2.7.1 Comparación entre sistemas de control distribuido y centralizado
En un sistema de control distribuido la toma de decisiones lo realizan los controladores
que están distribuidos en la red de comunicación, los cuales tienen la capacidad de
procesar los algoritmos y dirigirlos hacia los sensores y actuadores del sistema. Por
otro lado, en un sistema de control centralizado la toma de decisiones la realiza un
único controlador el cual procesa todos los algoritmos de control.
Además, debido a que los sistemas de control distribuido simplifican el cableado, estos
sistemas se han sobrepuesto a los sistemas de control centralizados por sus bajos costos
de diseño, operación y mantenimiento.
2.7.2 Ventajas de los sistemas distribuidos respecto a los sistemas centralizados
Como se mencionó con anterioridad, algunas de las principales ventajas de los
sistemas de control distribuido son: sus bajos costos de diseño, además de su
confiabilidad y su capacidad de incremento de clientes y servidores para generar un
mayor procesamiento de instrucciones.
Diagrama de un sistema de control centralizado
Figura 2.6. Estructura control centralizado
Elaborado por: Diego Narváez
9
2.8 Niveles de automatización
Un sistema de automatización se conforma por cuatro niveles que forman la estructura
de una industria, los cuales se vinculan entre sí por medio de protocolos de
comunicación, que dependen de la cantidad de datos y de la velocidad con la que se
los envían.
A continuación, se detalla la función de cada nivel de la pirámide de automatización
partiendo de manera descendente a ascendente.
Nivel de campo: En este nivel se encuentran los elementos físicos de control, tales
como sensores y actuadores.
Nivel de control: En este nivel se encuentran las unidades de control, tales como
PLC´s, PC´s, HMI, los cuales realizan la operación y control del proceso.
Nivel de supervisión: Este nivel se encarga de controlar, monitorear, supervisar y
adquirir datos del nivel de control de manera simultánea, que lo hace formar un sistema
SCADA.
Nivel de Gestión: Este es el nivel más alto y se encarga de planificar la planta mediante
computadores donde se realizan las estrategias a seguir.
Pirámide de automatización
Figura 2.7. Pirámide de la automatización
Elaborado por: Diego Narváez
10
2.9 Sistema SCADA
¨SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) constituye un software que
permite controlar, monitorear y adquirir datos remotos de un proceso, manejando
herramientas de comunicación según sea su caso¨ (Rodríguez Penin, 2007, pág. 19).
En la Figura 2.8 se muestra la arquitectura convencional de un sistema SCADA.
Diagrama de un sistema SCADA
Figura 2.8. Sistema SCADA
Elaborado por: Diego Narváez
11
CAPÍTULO 3
OPTO 22
3.1 Generalidades
En este capítulo se presenta lo referente a la marca, desde sus inicios hasta su actual
evolución, como funciona, sus productos, descripción de componentes internos,
estructura, características técnicas y una comparación de precios con equipos de
características similares.
3.2 Acerca de la marca
¨Opto 22 brinda soluciones de control para una amplia diversidad de industrias y
aplicaciones, los ejemplos de su utilización abarcan un amplio campo, desde
telecomunicaciones, hasta la industria alimenticia y gerenciamiento empresarial. El
hardware y software de Opto 22 se utiliza también para adquirir datos remotos, control
de procesos, servicio e-mail, SCADA y otras aplicaciones que requieran exactitud.
Además Opto 22 fabrica dispositivos de tipo modulares, con aislamiento óptico y de
tipo compacto.
La gama de productos Opto 22 permite elegir el sistema de control adecuado para
cualquier proceso, desde sistemas de control simple a sistemas integrados. Dentro de
su variedad de productos predominan los sistemas Mistic como sistemas precursores
Figura 3.1. Línea SNAP de productos Opto 22
Elaborado por: Diego Narváez
Productos Opto 22
12
en establecer una conexión nítida a nivel de hardware y software entre controladores
industriales y computadores.
Los sistemas Mistic son un conjunto de controladores inteligentes de entradas y/o
salidas analógicas y digitales que trabajan como esclavos con relación a una
computadora maestra. Cada dispositivo Mistic posee una estructura tipo modular que
consta de un rack de montaje, un backplane y una cantidad limitada de módulos de
entrada y/o salida dependiendo del rack.
Los sistemas SNAP constituyen una agrupación de potentes controladores industriales,
sucesores de los procesadores Mistic. Los SNAP brindan control en tiempo real y
comunicación con sistemas de entrada y/o salida, dispositivos seriales y redes
Ethernet¨ (RealtimeService, 2010).
Productos Mistic
Figura 3.2. Productos Mistic
Fuente:http://www.realtimeservice.net/sp/desarrollos/
especiales/configuracion/opto22.htm
NETWORKING
CONTROL
I/O
CONECTIVIDAD
EMPRESARIAL
Figura 3.3. Sistema Snap
Elaborado por: Diego Narváez
Sistema SNAP
13
3.3 Software ioProject v7.1
Este software es exclusivo para productos de la marca Opto 22 y está formado por:
ioControl, ioManager, ioDisplay Configurator y por último ioDisplay Runtime.
A continuación, se detalla la función de cada uno de estos programas.
3.3.1 ioControl
Es un programa para desarrollar códigos para sistemas de control que dispongan de
comunicación Ethernet. Este programa permite desarrollar aplicaciones en un lenguaje
gráfico, o escrito (Optoscript).
Existen cuatro figuras dentro de ioControl, con las que se pueden realizar acciones o
proveer condiciones en la elaboración de la estrategia de control.
A continuación, se describe la función de cada figura:
Acción: Se lo representa con la forma de un rectángulo, y con esta se configuran los
comandos de acción específicos de acuerdo a la decisión del programador.
Condición: Se lo representa con la forma de un rombo, y sirve para definir las
condiciones, en otras palabras, en esta figura se toman decisiones.
Optoscript: Se lo representa con la forma de un hexágono, y permite introducir un
lenguaje escrito (script), para funciones donde sea complicado desarrollarlas en
lenguaje gráfico.
Conexión: Se lo representa con la forma de un óvalo, y se utiliza para conectar rutinas
de forma lógica y ordenada.
Figuras ioControl
Figura 3.4. Figuras ioControl
Elaborado por: Diego Narváez
14
3.3.2 ioManager
Este software permite establecer la configuración inicial de los controladores de Opto
22, así como también realiza la actualización del firmware, y permite establecer los
parámetros de comunicación.
3.3.3 ioDisplay Configurator
En ioDisplay Configurator se puede desarrollar la interfaz gráfica o HMI de la
estrategia que se realiza en ioControl. La interfaz se ejecuta en una computadora y la
estrategia en el controlador, pero también permite comunicación entre las dos
computadoras mediante TCP/IP, permitiendo mostrar el estado de las variables del
controlador.
3.3.4 ioDisplay Runtime
Una vez desarrollado el HMI en ioDisplay Configurator, se abre en la misma
aplicación en File- Save Project and Load Runtime, en el momento que se quiera
ejecutar el HMI en tiempo real una vez descargado la estrategia de control en el
controlador y que esté ejecutándose en el mismo.
3.4 Reseña y calidad
¨Esta empresa fue fundada en 1974 y tiene más de 90 millones de dispositivos vendidos
a nivel mundial, esto ha llevado a que Opto 22 logre una excelente reputación en la
fabricación y aceptación de productos de alta calidad.
Sus productos son fabricados en totalidad en los Estados Unidos en la planta matriz en
Temécula, California. Cada producto se prueba dos veces antes de salir de la planta,
con esto se puede garantizar de por vida a la mayoría de relés de estado sólido y
módulos aislados ópticamente.
15
3.5 Productos
Opto 22 desarrolla y fabrica una extensa gama de productos adaptables de software y
hardware para automatización y control industrial, monitoreo remoto y utilidades para
aplicaciones de adquisición de datos.
3.6 Evolución del sistema SNAP
3.6.1 Sistema de SNAP PAC
Estos sistemas fueron creados para simplificar el proceso complejo y así entender,
elegir, comprar y aplicar a un sistema de automatización.
El sistema de SNAP-PAC está formado por cuatro partes integradas:
Controladores SNAP-PAC
Software PAC Project
Brains SNAP-PAC
Entradas y Salidas SNAP-PAC
3.6.2 Controladores SNAP PAC (Controladores para la Automatización
Programables)
Los PAC´s (Controladores para automatización programables), son controladores de
tipo modulares basados en protocolos abiertos de multifunción, y brindan un entorno
de desarrollo integrado.
Opto 22 ha producido PAC´s por muchos años. Los modelos más actuales cuentan con
controladores independientes de la serie SNAP PAC-S, y otros modelos montados en
tarjeta de la serie SNAP PAC-R, ambos trabajan con un extenso rango de funciones
digitales, analógicas y seriales.
Los SNAP PAC´s están basados en redes Ethernet y protocolo (IP) de forma que se
puedan fabricar o ampliar sistemas.
16
3.6.3 Software PAC Project
El software de PAC Project de Opto 22, brinda total control en funciones, (HMI),
servidor OPC, además de software de comunicación con bases de datos para conseguir
el máximo provecho de su hardware.
Estas aplicaciones están integradas, compartiendo una misma base de datos. Esto
permite acceder a los puntos configurados en Pac Control™, de manera inmediata para
su posterior uso en Pac Display™, OptoOPCServer™, y OptoDataLink™.
Los comandos están basados en un inglés sencillo y comprensible, además se les puede
asignar nombres descriptivos a las variables y puntos de entrada y/o salida.
3.6.4 Brains SNAP PAC
Los controladores SNAP PAC proporcionan el control central y la repartición de datos,
mientras los brains SNAP PAC generan inteligencia de manera distribuida para el
procesamiento de entradas y/o salidas y comunicaciones.
3.6.5 Entradas/Salidas SNAP
Snap I/O ofrece conexión local para sensores y actuadores. El Snap I/O, brinda 1 a 32
puntos de entrada y/o salidas, según el tipo de módulo, y sus necesidades. Todos los
módulos analógicos, digitales y seriales se adaptan en su propio backplane, los mismos
que son controlados por un procesador (Un brain SNAP PAC o un controlador
montado en rack).
3.7 Soporte experto gratuito
El soporte de Opto 22 ofrece asistencia técnica y gratuita para todos sus productos.
Sus ingenieros representan años de entrenamiento y experiencia y están capacitados
para brindar ayuda en inglés y español, vía telefónica o correo electrónico, en un
horario de lunes a viernes de 8:00 a.m. a 18:00 p.m.
17
3.8 Preparación gratuita a clientes
El equipo de Opto 22 ofrece clases de entrenamiento práctico para los sistemas SNAP
PAC en sus instalaciones principales. Cada estudiante tiene un banco de trabajo y cada
grupo de aprendizaje está limitado a nueve participantes.
3.9 Compra de productos OPTO 22
Los productos elaborados por Opto 22 son vendidos directamente a través de su página
web o a través de una red de distribuidores en el mundo con personal altamente
capacitado¨ (Opto22, 2008).
3.10 Sistemas SNAP PAC- Controladores
Opto 22 brinda comodidad para realizar diversos proyectos de automatización
industrial donde se necesite comunicación de tipo Ethernet hasta comunicación
inalámbrica. En la Tabla 3.1 se presenta las características de los controladores que se
montan en rack de la serie actual SNAP PAC.
Tabla 3.1
Controladores Snap Pac
Nota. Fuente: http://www.deicoms.com.mx/sitio/productos/opto-22/sistemas-snap-pac/
Elaborado por: Diego Narváez
SNAP-PAC-R1
SNAP-PAC-R1-W
SNAP-PAC-S1
Controlador programable, 2
puertos ethernet, 1 puerto RS-232
para redes Ethernet o seriales
Controlador inalámbrico
programable, 2 puertos Ethernet,
1 puerto RS-232
Controlador programable, 2 puertos
Ethernet, 2 puertos seriales RS-232 o
RS-485 para redes Ethernet o seriales
SNAP-PAC-R2-FM Controlador programable, 2 puertos
Ethernet, 1 puerto RS-232, 1 puerto
RS-485
18
3.10.1 Controlador SNAP-PAC-R1
El controlador Snap-Pac-R1 es utilizado en amplios sistemas de control distribuido
como una unidad de entradas y/o salidas gobernado por un controlador independiente
de la serie Snap-Pac-S o puede trabajar simplemente como entradas y/o salidas remotas
para sistemas Allen Bradley PLC Logix.
En la Tabla 3.2 se muestra la especificación de los leds de estado y actividad del
controlador Snap-Pac-R1.
Tabla 3.2
Estado y actividad de los leds controlador Snap Pac-R1
INDICADOR DESCRIPCIÓN
ACT Actividad red Ethernet
LNK Enlace establecido con red Ethernet
STAT Estado de inicio y programa de control en funcionamiento.
Acceso a tarjeta micro SD.
232 Actividad serial RS-232
PPP Estado PPP
Nota. Fuente: http://documents.opto22.com/1696_SNAP_PAC_System_Specification_Guide.pdf
Elaborado por: Diego Narváez
La Figura 3.6 muestra la conexión para comunicación serial RS-232 del pc al
controlador.
Controlador SNAP-PAC-R1
Figura 3.5. Controlador Snap-Pac-R1
Elaborado por: Diego Narváez
19
3.10.2 Controlador SNAP-PAC-R1-W
El Snap-Pac-R1-W incluye una interfaz LAN inalámbrica que soporta estándares
802.11a, b, g y de red. Este PAC se puede utilizar de forma inalámbrica, cableada, o
ambas a la vez, además se puede usar para segmentar una red empresarial o para
proporcionar redundancia de enlace Ethernet en caso de fallo de enlace.
En la Tabla 3.3 se muestra la especificación de los leds de estado y actividad del
controlador Snap-Pac-R1-W.
Conexión serial RS-232 SNAP- PAC-R1
Controlador SNAP- PAC-R1-W
Figura 3.7. Controlador Snap-Pac-R1-W
Elaborado por: Diego Narváez
Figura 3.6. Conexión serial RS-232 Snap-Pac-R1
Elaborado por: Diego Narváez
20
Tabla 3.3
Descripción de leds controlador Snap Pac-R1-W
INDICADOR DESCRIPCIÓN
ACT Actividad red Ethernet
LNK Enlace establecido con red Ethernet
STAT Estado de inicio y programa de control en funcionamiento. Acceso a
tarjeta SD.
232 Actividad serial RS-232
WLAN Estado Wireless LAN
Nota. Fuente: http://documents.opto22.com/1696_SNAP_PAC_System_Specification_Guide.pdf
Elaborado por: Diego Narváez
La conexión para comunicación serial RS-232 para este controlador es la misma que
se muestra en la Figura 3.6.
3.10.3 Controlador SNAP-PAC-S1
Este controlador es de tipo compacto y robusto para ambiente industrial, incluye dos
puertos Ethernet con direcciones IP separadas, se puede utilizar para segmentar redes
o para enlaces Ethernet redundantes.
El Snap-Pac-S1 dispone de tres puertos serie: un puerto RS-232 ideal para conexión
PPP (Protocolo Punto-a-Punto) mediante un modem, otro puerto RS-232 para conectar
directamente a dispositivos seriales; y un puerto RS-485 para conexión a cerebros
Snap-Pac.
Figura 3.8. Controlador Snap-Pac-S1
Elaborado por: Diego Narváez
Controlador SNAP-PAC-S1
21
En la Tabla 3.4 se muestra la especificación de los leds de estado y actividad del
controlador Snap-Pac-S1.
Tabla 3.4
Estado y actividad de los leds controlador Snap Pac-S1
INDICADOR DESCRIPCIÓN
S0 Actividad serial RS-232 en puerto 0
S1 Actividad serial RS-232 en puerto 1
S2 Actividad serial RS-485
STAT Estado de inicio y programa de control en funcionamiento.
ACT Actividad red Ethernet
LINK Enlace establecido con red Ethernet
Nota. Fuente: http://documents.opto22.com/1696_SNAP_PAC_System_Specification_Guide.pdf
Elaborado por: Diego Narváez
3.11 Sistemas SNAP PAC- Software
El software de Opto 22, incorpora todo lo necesario para un control eficiente de
cualquier proceso de automatización industrial, el mismo que se puede acoplar a
softwares de plataformas inteligentes como Intellution y Labview.
La Tabla 3.5 muestra el software Snap Pac actual de la marca OPTO 22 con una breve
descripción de los mismos.
Tabla 3.5
Software Snap Pac
Nota. Fuente: http://www.deicoms.com.mx/sitio/productos/opto-22/sistemas-snap-pac/
Elaborado por: Diego Narváez
OPTODATALINK
OPTOOPCSERVER
PACPROJECT PRO
Software para envío y recepción de datos
entre Snap Pac y bases de datos como SQL
Server, Microsoft Access y MySQL.
Servidor OPC de datos.
Software de desarrollo para aplicaciones de
control y procesos.
Incluye: PACControl, PACDisplay,
PACManager, OptoDataLink y OPCServer.
22
3.12 Estructura externa del controlador SNAP-LCE
El controlador Snap-Lce, es de tipo compacto como se muestra en la Figura 3.10 y
dispone de: un puerto Ethernet y dos puertos RS-232, además de sus leds indicadores
de actividad para recepción y transmisión de datos.
Este controlador necesita de un módulo de racks de la serie Snap para iniciar con la
estrategia a realizarse, debido a que provee de inteligencia al sistema de control, pero
no provee la detección de los módulos montados en rack.
3.12.1 Estructura interna del controlador SNAP-LCE
En la Figura 3.10 se observa los distintos componentes que forman la placa del
controlador Snap-Lce, además de su dirección Mac que viene impresa de fábrica en
un adhesivo colocado dentro de la placa y que servirá para realizar la configuración
inicial.
Vista superior del controlador SNAP-LCE
Figura 3.9. Controlador Snap-Lce
Elaborado por: Diego Narváez
23
3.12.2 Estructura externa del controlador SNAP-ULTIMATE-UP1-ADS
El controlador Snap-Ultimate-Up1-ADS, es de tipo compacto como se muestra en la
Figura 3.11, dispone de: un puerto Ethernet y un puerto RS-232, además de sus leds
indicadores de estado y actividad.
Este controlador lleva incorporado el reconocimiento de detección de los módulos
montados en rack lo que lo diferencia del Snap-Lce, por lo que reduce espacio físico,
ya que no necesita de módulos de rack externos.
Componentes del controlador SNAP-LCE
Figura 3.10. Componentes internos del controlador Snap-Lce
Elaborado por: Diego Narváez
Figura 3.11. Controlador Snap-Ultimate-Up1-ADS
Elaborado por: Diego Narváez
Vista superior del controlador SNAP-ULTIMATE
24
3.12.3 Estructura interna del controlador SNAP-ULTIMATE-UP1-ADS
El controlador está formado por tres placas detalladas a continuación, donde la placa
intermedia es elaborada a doble capa como se muestra en la Figura 3.13.
3.12.3.1 Placa Superior
En esta placa se observa la controladora Ethernet, así como también los leds de
actividad, un puerto Ethernet y los diferentes componentes del controlador Snap
Ultimate-Up1-Ads.
3.12.3.2 Placa intermedia (Doble capa)
En la Figura 3.13 (A) se muestra los circuitos integrados controladores de bus,
detallados con anterioridad, y en la Figura 3.13 (B) una batería CR2032 de 3 voltios y
los leds de actividad para comunicación RS-232.
Las placas que conforman el controlador están elaboradas en fibra de vidrio, este
material se lo usa comúnmente en circuitos multicapa, por su resistencia y aislamiento,
para reducir el tamaño del objeto, haciéndolo de apariencia moderna y compacta.
Componentes del controlador SNAP-ULTIMATE
Figura 3.12. Componentes internos placa superior Snap-Ultimate-Up1-ADS
Elaborado por: Diego Narváez
25
3.12.3.3 Placa Inferior
En la placa inferior se observa el conector de color celeste que va acoplado directo al
módulo de racks, también se observan los controladores que se detallan con
anterioridad.
3.13 Comparación de precios con equipos de características similares
En la Tabla 3.6 se presenta un cuadro comparativo de precios de equipos de alta gama
de marcas comercializadas en Ecuador. Estos precios han sido considerados de
Figura 3.13. Componentes internos placa intermedia Snap-Ultimate-Up1-ADS,
(A) Vista frontal, (B) Vista Posterior
Elaborado por: Diego Narváez
Figura 3.14. Componentes Internos placa inferior Snap-Ultimate-Up1-ADS
Elaborado por: Diego Narváez
Componentes del controlador SNAP-ULTIMATE
Componentes del controlador SNAP-ULTIMATE
26
Controlador Controlador
Módulos I/O Digitales
Software
Módulos I/O Análogos Módulos I/O Análogos Módulos I/O Análogos
Módulos I/O Digitales Módulos I/O Digitales
Controlador
Software Software
distribuidores locales por tanto no hay que contemplar precios adicionales.
Tabla 3.6
Comparación de precios de PLC´S comercializados en Ecuador
Elaborado por: Diego Narváez
Los precios que se muestran en la Tabla 3.6 son de equipos de última tecnología de
las marcas más conocidas en el Ecuador.
Al realizar la comparación de precios se observa que Opto 22 brinda facilidades como:
software gratuito para pruebas de equipos Snap Pac, que marca la diferencia sobre sus
competidores, además de un precio reducido frente a marcas de equipos de alta gama
posicionados dentro del país.
Por esta razón Opto 22, es una elección apropiada para elaborar proyectos de
automatización industrial.
$ 1100.00 $ 2068.00 $ 1195.00
$ 478.00 $ 683.00 $ 238.00
$ 552.00 $ 764.00 $ 336.00
$ 695.00 $ 3150.00 Basic: $ 0.00
Pro: $ 999.00
Total: $ 2825.00 Total: $ 6665.00 Total:
Basic: $ 1769.00
Pro: $ 2768.00
Simatic S7-1200 1769-L3 CompactLogix Snap PAC-S1
SIEMENS ALLEN BRADLEY
OPTO 22
PacProject RSLogix5000 Tia Portal V13 Basic
27
CAPÍTULO 4
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN
4.1 Generalidades
En este capítulo se presenta el diseño y construcción de procesos secuenciales y
continuos, su estructura, tablero de control y software utilizado y las características
técnicas de los equipos disponibles para la elaboración de dichos procesos. También
se da especificaciones generales del proceso de temperatura, ya que esta variable se la
puede encontrar en la industria: química, petrolera, plástica y de cualquier tipo de
metales.
4.2 Procedimiento de construcción de la planta de proceso secuencial
Al contar con cilindros neumáticos y un compresor de propiedad de la empresa, se
decidió incluir estos materiales en la construcción de la planta, es por ello que se
escogió realizar una planta a pequeña escala para el proceso de tapado de envases
metálicos que son comunes en industrias de bebidas o industrias alimenticias donde el
aprovechamiento del aire comprimido es uno de sus principales elementos de
accionamiento para elaborar sus productos.
4.2.1 Estructura de la planta
La estructura de la planta se la elaboró con madera de 8mm en su totalidad porque es
necesario mantener estabilidad con el peso de los componentes montados.
En la Figura 4.1 se muestran las dimensiones en centímetros de los elementos
montados en la estructura del proceso secuencial.
28
Para realizar una correcta distribución de los elementos que forman el proceso
secuencial es necesario realizar los cálculos de área correspondientes.
En las siguientes tablas se muestran las áreas de los elementos montados por paneles.
Tabla 4.1
Área total de elementos montados en el panel frontal proceso secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
ELEMENTO ÁREA (𝑐𝑚2)
Unidad de mantenimiento 231
Válvula distribuidora 9
Luces piloto 96
Electroválvula 5/2 91
Electroválvula 4/2 91
ÁREA TOTAL 518
Figura 4.1. Diseño distributivo proceso secuencial, (A) Panel Frontal, (B) Panel Lateral
Derecho, (C) Panel Inferior, (D) Estructura total de la planta
Elaborado por: Diego Narváez
Diagrama distributivo proceso secuencial
29
Tabla 4.2
Área total de elementos montados en el panel lateral derecho proceso secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
Tabla 4.3
Área total de elementos montados en el panel inferior proceso secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
Con estos resultados se tiene el área total de cada panel del proceso secuencial, donde
se debe sumar el porcentaje de ingeniería que se refiere a los espacios libres entre
elementos que normalmente lo determina el diseñador.
Para el diseño se consideró un porcentaje de ingeniería del 25%, con lo que se tiene lo
siguiente:
El 25 % de 518 𝑐𝑚2 es 129,5 𝑐𝑚2
El 25 % de 340,5 𝑐𝑚2 es 85,125 𝑐𝑚2
El 25 % de 525 𝑐𝑚2 es 131,25 𝑐𝑚2
Sumando el porcentaje de ingeniería se determina el área necesaria:
518 𝑐𝑚2 + 129,5 𝑐𝑚2 = 647,5 𝑐𝑚2 (Panel Frontal) (4.1)
340,5 𝑐𝑚2 + 85,125 𝑐𝑚2 = 425,62 𝑐𝑚2 (Panel Derecho) (4.2)
525 𝑐𝑚2 + 131,25 𝑐𝑚2 = 656,25 𝑐𝑚2 (Panel Inferior) (4.3)
De acuerdo al diseño de tableros en base a longitudes se necesita sumar las
separaciones entre elementos para establecer buena distribución y simetría.
ELEMENTO ÁREA (𝑐𝑚2)
Snap-Enet-S64 178,25
Soporte cilindro B 150
Sensor inductivo 12,25
ÁREA TOTAL 340,5
ELEMENTO ÁREA (𝑐𝑚2)
Soporte cilindro A 217,5
Brazo Madera 199,5
Botón on/off 54
Botón emergencia 54
ÁREA TOTAL 525
30
Panel Frontal
Ʃs1= 5+11+10+3+10+16+5= 60 𝑐𝑚
Ʃs2= 5+6+10+3+10+14+5= 53 𝑐𝑚
Panel Derecho
Ʃs1= 10+15,5+10= 35,5 𝑐𝑚
Ʃs2= 5+11,5+5+20+4+3,5= 49 𝑐𝑚
Panel Inferior
Ʃs1= 5+29+5+19+5= 63 𝑐𝑚
Ʃs2= 5+10,5+10+6+5= 36,5 𝑐𝑚
Con lo que se tiene un área de 3180 𝑐𝑚2 para el panel frontal, 1739,5 𝑐𝑚2 para el
panel derecho y 2299,5 𝑐𝑚2 para el panel inferior.
Tomando en cuenta los resultados obtenidos se construyó un tablero de 3654 𝑐𝑚2 para
el panel frontal, 2040 𝑐𝑚2 para el panel derecho y 2520 𝑐𝑚2 para el panel inferior,
para conseguir una distribución uniforme, demostrando que los resultados obtenidos
mediante los cálculos por longitudes entran en el rango diseñado. Hay que tomar en
cuenta que en el proceso se colocó mangueras neumáticas las mismas que deben estar
lo más rectilíneas posibles.
4.3 Elementos utilizados en el proceso secuencial
Los elementos utilizados en el diseño de la planta del proceso secuencial se detallan
en la Tabla 4.4.
Tabla 4.4
Descripción de elementos utilizados en el proceso secuencial
Cantidad Nombre
2 Cilindros neumáticos doble efecto
1 Unidad de mantenimiento neumática
1 Válvula de distribución
1 Sensor inductivo para metales
1 Sensor fin de carrera
2 Válvulas estranguladoras
2 Botones industriales
2 Luces piloto
5 Envases metálicos
Elaborado por: Diego Narváez
31
4.4 Estructura de utilización
Se decidió montar los elementos de la planta en base a la estructura de utilización de
un sistema neumático básico, tomando en cuenta las dimensiones de la unidad de
mantenimiento, válvula distribuidora y las electroválvulas neumáticas, como se
muestra en la Figura 4.2.
El controlador que se utilizó en la construcción de la planta es un SNAP-LCE de la
familia de Opto 22, como cerebro del proceso con dirección IP: 192.168.1.99, que
dispone de un puerto Ethernet para comunicación.
4.4.1 Características técnicas del controlador Snap-Lce
En la Tabla 4.5 se muestra las características técnicas del controlador Snap-Lce del
proceso secuencial.
Controlador SNAP-LCE
Figura 4.3. Controlador Snap-Lce
Elaborado por: Diego Narváez
Tablero Frontal
Figura 4.2. Tablero frontal proceso secuencial, (A) Estructura de Utilización,
(B) Estructura real
Fuente: https://www.emaze.com/@ALQFWROQ/SISTEMAS-
NEUMATICOS
32
Tabla 4.5
Características técnicas del controlador SNAP-LCE
Nota. Fuente:http://www.opto22.com/documents/1471_SNAP-LCE_data_sheet.pdf
Elaborado por: Diego Narváez
Cabe mencionar que el controlador Snap-Lce trabaja junto a un Brain de
entradas/salidas para ejecutar la estrategia de control elaborada. El Brain utilizado es
un SNAP ENET-S64, con dirección IP: 192.168.1.98, que funciona conjuntamente con
dicho controlador.
4.4.2 Características técnicas del Brain Snap-Enet-S64
En la Tabla 4.6 se muestra las características técnicas del Brain Snap-Enet-S64.
Tabla 4.6
Características técnicas del Brain SNAP-ENET-S64
Nota. Fuente: https://www.opto22.com/documents/1452_SNAP_Simple_Brain_data_sheet.pdf
Elaborado por: Diego Narváez
Procesador ColdFire® 5407 32-bits
RAM total
Flash EEPROM
16 MB
8 MB (7 MB con firmware versión 7.2)
Batería 3 voltios (Litio CR2032)
Comunicación Ethernet (10/100 Mbps) o PPP
Requerimientos de Energía 5.0-5.2 Vdc a 1.2 A.
Puerto Serial RS-232 (solamente para programación y diagnostico)
Velocidad de datos seriales Por defecto: 19.200 kBd, seleccionable de 2400 a
115.200 kBd.
Puentes (internos) Arranque al núcleo/ arranque de carga Reestablecer
los valores de fábrica
Brain SNAP-ENET-S64
Figura 4.4. Brain Snap-Enet-S64
Elaborado por: Diego Narváez
33
4.4.3 Descripción de leds de estado y actividad del Brain Snap-Enet-S64
En la Figura 4.5 se presenta la descripción de los leds de estado y actividad del Brain
Snap-Enet-S64.
4.5 Diseño del proceso secuencial
El proceso secuencial ejecuta el tapado de envases metálicos, con lo que se procede a
desarrollar la estrategia en ioControl, el proceso físico consiste en: poner el envase de
metal en el brazo que está construido en aglomerado de 4 mm., por su facilidad de
corte y manipulación, el cual está acoplado al cilindro doble efecto A, que empujará
el vástago a su máxima carrera; donde se activará el sensor fin de carrera que está
posicionado a 6 mm. del envase de metal para que pueda ser sensado, al mismo tiempo
el sensor inductivo detectará la presencia del envase de metal para el accionamiento
del cilindro doble efecto B, que realiza la presión entre la tapa y el envase para sellarlo.
El envase y la tapa metálica utilizado en el proceso secuencial se aprecia en la Figura
4.6.
Descripción de leds del Brain
Figura 4.5. Descripción de leds del Brain Snap-Enet-S64
Elaborado por: Diego Narváez
34
En el cilindro B se colocó un acoplamiento de plástico rígido de 9 cm. de longitud con
un diámetro de 2 cm. en la punta de su vástago para aumentar el desplazamiento se lo
diseño de plástico rígido porque este material es resistente a impactos y de poco peso.
Al acoplamiento se le añadió un tope circular de caucho de 3.5 cm de diámetro para
reducir la fuerza de impacto contra la tapa metálica. Además, se colocó las
electroválvulas 5/2 y 4/2, y las mangueras neumáticas evitando rectas de 90° para
proporcionar un paso de aire comprimido libre para los cilindros doble efecto, por
último, se colocó y se comprobó la funcionalidad de los pulsadores industriales
elaborando una estrategia intermitente en ioControl.
Cabe mencionar que en la estrategia de control existe una condición la cual es, el
cilindro B se accionará solamente si existe presencia del envase de metal, es decir,
únicamente cuando el sensor inductivo detecte presencia metálica, de lo contrario
solamente se accionará el cilindro A, el cual trabaja con un sensor fin de carrera para
el vástago expulsado.
El proceso se encuentra en un lazo repetitivo que depende del número de latas a
procesarse que requiera el operador.
Figura 4.6. Envase y tapa metálica, (A) Envase metálico,
(B) Tapa metálica
Elaborado por: Diego Narváez
Envase y tapa metálica
35
Luego se montó el Snap Enet-S64 junto con los dos módulos para el control del
proceso, estos módulos son: un Snap-IDC5 y un Snap OAC5-i, conjuntamente se
realizó el cableado eléctrico en la parte posterior derecha de la planta. Las conexiones
se elaboraron con cable 18 AWG que soporta hasta 10 A. de corriente.
En la Tabla 4.6 se describe las corrientes de consumo de cada elemento del proceso
secuencial.
Tabla 4.6
Corriente total de los elementos del proceso secuencial
ELEMENTO DESCRIPCIÓN CORRIENTE SOPORTADA (A)
1 Electroválvula 5/2 2,5
2 Electroválvula 4/2 2,5
3 Sensor inductivo 0,3
4 Sensor fin de carrera 1,5
5 Base Snap M16 2
CORRIENTE TOTAL 8,8
Elaborado por: Diego Narváez
La carga total de corriente utilizada en los elementos es de 8,8 (amperios), por lo cual
el cable 18 AWG es suficiente para soportar dicha corriente.
Además, se colocó una fuente de alimentación junto a un riel DIN, para borneras,
igualmente se dispone de una red con Ethernet TCP/IP que va directo al switch para
realizar la comunicación con el computador maestro.
En la Figura 4.8 se muestra el montaje inicial y las conexiones de los módulos del
proceso secuencial.
Elementos montados del control secuencial
Figura 4.7. Elementos montados del control secuencial, (A) Montaje de
cilindros, (B) Montaje de electroválvulas
Elaborado por: Diego Narváez
36
Para finalizar: se instaló luces piloto, se verificó el conexionado interno y externo de
los elementos de la planta, se evaluó el funcionamiento de los equipos Opto 22, en
base del diseño, se comprobó el acoplamiento de las mangueras para evitar fugas de
aire existentes, y por último se pintó la planta de color blanco para resaltar dentro del
área de exhibición que es de color gris azulado. Para una buena identificación de los
elementos se colocó el etiquetado mostrado en la Figura 4.9.
4.6 Conexionado de los módulos utilizados en el proceso secuencial
En la Tabla 4.7 se describe el conexionado de los módulos añadidos al Snap Enet-S64.
Montaje inicial proceso secuencial
Figura 4.8. Montaje inicial proceso secuencial, (A) Montaje Opto
22, (B) Montaje de fuente y borneras
Elaborado por: Diego Narváez
Vista final proceso secuencial
Figura 4.9. Presentación final proceso secuencial, (A) Montaje
Total de elementos, (B) Pintado de la planta
Elaborado por: Diego Narváez
37
Tabla 4.7
Conexionado de los módulos SNAP IDC5 y SNAP OAC5-i
SLOT 0 SNAP IDC5
10-32 VDC/VAC
SLOT 1 SNAP OAC5-i
12-250 VAC
Entradas (12v) Salidas (110v)
(1 y 2) SENSOR INDUCTIVO Donde 1,3,5,7 son Neutro
(3 y 4) FINAL DE CARRERA 2 CILINDRO DOBLE EFECTO A
(5 y 6) PARO DE EMERGENCIA 4 CILINDRO DOBLE EFECTO B
(7 y 8) ON/OFF 6 INDICADOR DE PROCESO
Donde 1,3,5,7 son Tierra 8 INDICADOR DE EMERGENCIA
Elaborado por: Diego Narváez
4.7 Elaboración de la estrategia de control
Se elaboró las estrategias de control en un computador de propiedad de la empresa
auspiciante con software original de Opto 22. La configuración TCP/IP tanto para el
proceso secuencial como para el continuo son similares, porque los dos sistemas se
comunican vía Ethernet, con IP fija: 192.168.1.23, Máscara de subred: 255.255.255.0,
Puerta de enlace: 192.168.1.1, y Servidor DNS: 192.168.1.1.
4.7.1 Chart PowerUp
En la Figura 4.10 se muestra el Chart PowerUp que es la estructura básica que
proporciona el arranque a los Charts, que se coloca por defecto cuando se abre un
nuevo proyecto en ioControl.
4.7.2 Diagrama lógico del proceso secuencial
En la Figura 4.11 se muestra la estructura lógica del proceso secuencial.
PowerUp- Inicio chart proceso secuencial
Figura 4.10. Chart PowerUp proceso secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
38
4.8 Diagrama neumático
En la Figura 4.12 se muestra el diagrama neumático del proceso secuencial.
Diagrama neumático del proceso secuencial
Figura 4.12. Diagrama neumático proceso secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
Diagrama lógico proceso secuencial
Figura 4.11. Diagrama lógico del proceso secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
39
4.9 Cálculo de fuerza
Se presentan los cálculos de la fuerza que necesita el envase para su movimiento
mediante diagrama de cuerpo libre, así como también el dimensionamiento de los
cilindros. La referencia del coeficiente de fricción se presenta en la Tabla 4.8.
Tabla 4.8
Coeficientes de Fricción
Nota. Fuente: http://uafisica.blogspot.com/2012/12/obtencion-del-coeficiente-de-friccion.html
Elaborado por: Diego Narváez
Datos:
h= 9.7 cm. = 0.097 m.
Ø= 8.5 cm. = 0.085 m.
mlata= 0.118 lb. = 0.053 kg.
μ= 0.38 (coeficiente de fricción aluminio sobre madera)
Dónde:
h: Altura del envase metálico F: Fuerza (N) W: Peso (kg)
Ø: Diámetro del envase metálico N: Normal Fr: Fuerza real
mlata: Masa del envase metálico fr: Fuerza de rozamiento
Superficie μ
Aluminio-Caucho 0,52
Aluminio-Madera 0,38
Diagrama de cuerpo libre
Figura 4.13. Diagrama de cuerpo libre (DCL)
Elaborado por: Diego Narváez
40
ƩFy= 0 ƩFx= 0
N-W= 0 F-fr= 0
N= W F= fr
N= m×g F= μ×N
N= 0.053×9.8 F= 0.38×0.52
N= 0.52 [N] F= 0.20 [N]
Como se muestra en la respuesta de fuerza, el empuje que necesita el envase metálico
para desplazarse es de 0.20 [N].
Área del cilindro
Acilindro= 2π×r×h (4.4)
Acilindro= 2π×0.085
2×0.097
Acilindro= 0.026 [ 𝑚2]
F= 0.2 [N]
P= 25 Psi= 172369 Pa
F= P×πØ2
4 (4.5)
Para el cilindro A
Ø= √4×F
𝑃×𝜋
Ø= √4×0.20
172369×𝜋
Ø= 0.0012 [m]= 0.12 [cm]= 1.2 [mm] (4.6)
Para el cilindro B
Ø= √4×F
𝑃×𝜋
Ø= √4×0.35
172369×𝜋
Ø= 0.0016 [m]= 0.16 [cm]= 1.6 [mm] (4.7)
41
Los cálculos demuestran que los diámetros necesarios son mayores a los diámetros
requeridos, por esta razón la fuerza producida por el compresor más una unidad de
mantenimiento regulada a 25 psi (1,72369 bar), es suficiente para abastecer a los dos
cilindros neumáticos.
En la Tabla 4.9 se muestran las características del compresor utilizado en la planta
secuencial.
Tabla 4.9
Características del compresor
Nota. Fuente: http://www.shimaha.com.mx/index.php/compresores
Elaborado por: Diego Narváez
4.9.1 Fuerza en cilindros
La fuerza de un cilindro accionador incrementa si su diámetro es mayor y tiene mayor
presión de aire. Esto se sustenta con la siguiente fórmula:
F=10*p*π (𝑑2/4) (4.8)
Dónde:
P: Presión (bar)
d: diámetro del cilindro (cm)
1 bar= 14.50386 psi, 1.02 kg/𝑐𝑚2, 100000 Pa (N/𝑚2)
Aplicando esta ecuación a los datos de los cilindros proporcionados por la empresa se
tiene:
Para el cilindro A
Fr=10*1.72*π ((0.152/4)) (4.9)
Fr= 0.30 [N]
Para el cilindro B
Potencia ¾ HP
Presión 125 Lbs.
Caudal 150 L/min
Voltaje 110 VAC.
42
Fr=10*1.72*π ((0.222/4)) (4.10)
Fr= 0.65 [N]
Con estos cálculos se demuestra que la fuerza producida es mayor a la fuerza
requerida, por lo tanto, el compresor proporcionado es suficiente para abastecer a los
cilindros neumáticos. Además, cabe indicar que en los cilindros de doble efecto tanto
la velocidad como la fuerza de avance son iguales a la de retroceso porque la superficie
es la misma.
4.10 Procedimiento de construcción de la planta de proceso continuo
Se decidió trabajar con temperatura ya que es una variable lenta en la que se pueden
apreciar los cambios que esta presenta. Por lo cual se decidió adquirir un horno
eléctrico pequeño a 110 VAC. con el que se realizó los trabajos de adaptación de los
componentes para este sistema, es por ello que se escogió elaborar una planta a
pequeña escala para el proceso de control de temperatura por histéresis, además el
sistema posee una perturbación externa la cual genera una variación dentro del
proceso, en la que el sistema deberá ajustarse a su objetivo.
Se optó por este control debido a que se lo puede utilizar en aplicaciones continuas
donde se necesite trabajar entre dos parámetros o límites, su respuesta es de tipo todo
o nada; donde su variable regulada se conecta cuando ha descendido del valor de
consigna, y se desconecta cuando la variable regulada sobrepasa a la variable de
consigna.
El lazo de histéresis se comporta como un comparador donde el eje horizontal muestra
el voltaje de entrada y el eje vertical muestra el voltaje de salida. Se denomina voltaje
de histéresis a la diferencia entre VLD (voltaje derecho) y VLI (voltaje izquierdo)
como se muestra en la Figura 4.14.
Lazo de histéresis
Figura 4.14. Lazo de histéresis
Elaborado por: Diego Narváez
43
4.10.1 Estructura de la planta
La estructura de la planta se la elaboró con madera de 8mm en su totalidad porque
es necesario mantener estabilidad con el peso de los componentes montados.
En la Figura 4.15 se muestran las dimensiones en centímetros de los elementos
montados en la estructura del proceso continuo.
Para realizar una correcta distribución de los elementos que forman el proceso
continuo es necesario realizar los cálculos de área correspondientes.
En las siguientes tablas se muestran las áreas de los elementos montados por paneles.
Figura 4.15. Diseño distributivo proceso continuo, (A) Panel Frontal, (B) Panel Inferior, (C)
Estructura total de la planta
Elaborado por: Diego Narváez
Diagrama distributivo proceso continuo
44
Tabla 4.10
Área total de elementos montados en el panel frontal proceso continuo
Elaborado por: Diego Narváez
Tabla 4.11
Área total de elementos montados en el panel inferior proceso continuo
Elaborado por: Diego Narváez
Con estos resultados se tiene el área total de cada panel del proceso continuo, donde
se debe sumar el porcentaje de ingeniería que se refiere a los espacios libres entre
elementos que normalmente lo determina el diseñador.
Para el diseño se consideró un porcentaje de ingeniería del 25%, con lo que se tendrá
lo siguiente:
El 25 % de 164,25 𝑐𝑚2 es 41,06 𝑐𝑚2
El 25 % de 983,75 𝑐𝑚2 es 245,93 𝑐𝑚2
Sumando el porcentaje de ingeniería se determina el área necesaria:
164,25 𝑐𝑚2 + 41,06 𝑐𝑚2 = 205,31 𝑐𝑚2 (Panel Frontal) (4.11)
983,75 𝑐𝑚2 + 245,93 𝑐𝑚2 = 1229,68 𝑐𝑚2 (Panel Inferior) (4.12)
De acuerdo al diseño de tableros en base a longitudes se necesita sumar las
separaciones entre elementos para establecer buena distribución y simetría.
Panel Frontal
Ʃs1= 5+10,5+10+16+5= 46,5 𝑐𝑚
Ʃs2= 3+6,5+28= 37,5 𝑐𝑚
ELEMENTO ÁREA (𝑐𝑚2)
Visor de temperatura 68,25
Luces piloto 96
ÁREA TOTAL 164,25
ELEMENTO ÁREA (𝑐𝑚2)
Horno eléctrico 717,5
Botonera 266,25
ÁREA TOTAL 983,75
45
Panel Inferior
Ʃs1= 6+35,5+6= 47,5 𝑐𝑚
Ʃs2= 5+20,5+10+7,5+5= 48 𝑐𝑚
Con lo que se tiene un área de 1743,75 𝑐𝑚2 para el panel frontal y 2280 𝑐𝑚2 para el
panel inferior.
Tomando en cuenta los resultados obtenidos se construyó un tablero de 2047,5 𝑐𝑚2
para el panel frontal y 2677,5 𝑐𝑚2 para el panel inferior, para conseguir una
distribución uniforme demostrando que los resultados obtenidos mediante los cálculos
por longitudes entran en el rango diseñado.
4.11 Elementos utilizados en el proceso continuo
Los elementos utilizados en el diseño de la planta del proceso continuo se detallan a
continuación en la Tabla 4.12.
Tabla 4.12
Descripción de elementos utilizados en el proceso continuo
Cantidad Nombre
1 Horno eléctrico 110 VAC.
1 Sensor de temperatura LM35
2 Ventiladores de aire 110 VAC.
1 Arduino Mega
1 Max232
1 Lcd 16x2
Elaborado por: Diego Narváez
4.12 Estructura de utilización
Partiendo de las dimensiones del horno eléctrico se construyó un tablero en madera
para mantener estabilidad y conseguir una distribución uniforme como se muestra en
la Figura 4.16.
46
El controlador que se utilizó en la construcción de la planta es un Snap-Ultimate-UP1-
ADS de la familia de Opto 22, con una dirección IP: 192.168.1.80, que dispone de un
puerto Ethernet de comunicación. Cabe mencionar que el controlador tiene integrado
el Brain de entradas/salidas.
Las características técnicas del controlador Snap-Ultimate-Up1-Ads del proceso
continuo se muestran en la Tabla 4.13.
4.12.1 Características técnicas del controlador Snap-Ultimate-UP1-ADS
Horno eléctrico
Figura 4.16. Colocación del horno eléctrico, (A) Base metálica del
horno, (B) Posición del horno
Fuente: http://es.slideshare.net/Alsako/manual-balay-horno-3-hb503b
Controlador SNAP-ULTIMATE-UP1-ADS
Figura 4.17. Controlador Snap-Ultimate-Up1-ADS
Elaborado por: Diego Narváez
47
Tabla 4.13
Características técnicas del controlador SNAP-ULTIMATE-UP1-ADS
Procesador ColdFire® 5407 32-bits
RAM total
Flash EEPROM
16 MB
8 MB
Puertos Seriales RS-232
Requerimientos de Energía 5.0-5.2 Vdc a 1.2 A.
Nota. Fuente: http://www.opto22.com/site/pr_details.aspx?cid=4&item=SNAP-UP1-ADS
Elaborado por: Diego Narváez
En la Figura 4.18 se presenta la descripción de los leds de estado y actividad del
controlador Snap-Ultimate-Up1-Ads.
4.12.2 Descripción de leds de estado y actividad del controlador Snap-Ultimate-UP1-
ADS
4.13 Diseño del proceso continuo
El proceso continuo realiza el control de temperatura por histéresis, con lo que se
procede a desarrollar la estrategia de control en ioControl. El proceso mide la
temperatura del horno mediante un sensor lm35 que tiene un SPAM de -55°C hasta
150°C, la temperatura se la puede visualizar mediante una pantalla LCD (Liquid
Cristal Display) colocada en la parte superior de la planta. Tomando en cuenta que
solo se utilizó la niquelina inferior del horno, el uso de este sensor fue el adecuado
Descripción de leds del controlador SNAP-ULTIMATE
Figura 4.18. Descripción de leds del controlador Snap-Ultimate-Up1-ADS
Elaborado por: Diego Narváez
48
porque la temperatura con una sola niquelina no sobrepasa los 150°C por lo tanto el
sensor es capaz de soportar esa temperatura. Seguidamente se posicionó el sensor en
la mitad del horno para captar una mejor distribución de calor, finalmente se realizó la
adaptación de los ventiladores a 110 VAC. que generan la perturbación del sistema, se
colocó uno en la parte izquierda y otro en la parte trasera del horno. Basándose en el
enfriamiento de espacios, el ventilador izquierdo extrae aire caliente y el ventilador
trasero introduce aire frío, con lo que se consigue una rápida disipación y enfriamiento
de aire.
En la Figura 4.19 se muestran las perforaciones laterales de salida de aire caliente y
los elementos montados en el control continuo.
El proceso continuo consiste en mantener la temperatura deseada en un rango de
medida por medio de una ventana de histéresis, donde un Setpoint es el valor de
consigna que genera el centro de la ventana, el cual ayuda como punto de referencia
para construir el ancho de ventana. El control se ejecutó mediante una comparación
directa al Setpoint, es decir, si se tiene un Setpoint de 45°C, y se le añade una ventana
de 2°C, la ventana de histéresis trabajará entre 43°C y 47°C, con lo que el sistema se
mantiene funcionando entre ese rango de temperatura.
Siguiendo con la construcción de la planta, se colocó los pulsadores industriales y las
luces indicadoras, además se realizaron las pruebas de comunicación serial entre el
Figura 4.19. Elementos montados del control continuo, (A) Perforaciones
laterales, (B) Elementos añadidos
Elaborado por: Diego Narváez
Elementos montados del control continuo
49
Arduino Mega y el Snap Ultimate-Up1-Ads, donde se utilizó un integrado max232
como interfaz de trasmisión de señales (Tx).
Ya que el Arduino posee puerto serie (UART) y el controlador tiene puerto RS-232,
es necesario colocar un sistema de interfaz entre los dos protocolos debido a que
UART es TTL y RS-232 es de voltaje diferencial con punto de referencia, para este
fin se colocó un circuito integrado max232 que realiza la conversión como se muestra
en la Figura 4.20.
Para finalizar se colocó un LCD 16x2 para visualizar la temperatura del horno en
tiempo real y se realizó el conexionado interno y externo de la planta con cable 18
AWG como se explicó con anterioridad, además se realizó el pintado de la planta de
color blanco y el respectivo etiquetado de elementos.
Montaje proceso continuo
Figura 4.20. Colocación de pulsadores y comunicación RS-232, (A)
Colocación de pulsadores, (B) Max232
Elaborado por: Diego Narváez
Montaje proceso continuo
Figura 4.21. Colocación de LCD 16x2
Elaborado por: Diego Narváez
50
4.14 Conexionado de los módulos utilizados en el proceso continuo
En la Tabla 4.14 se describe el conexionado de los módulos añadidos al Snap Ultimate-
Up1-Ads.
Tabla 4.14
Conexionado de los módulos SNAP IDC5 y SNAP OAC5
SLOT 1 SNAP IDC5
10-32 VDC/VAC
SLOT 2 SNAP OAC5
12-250 VAC
Entradas (12v) Salidas (110v)
(1 y 2) ON/OFF Donde 1,3,5,7 son Neutro
(3 y 4) PERTURBACIÓN 2 PERTURBACIÓN VENTILADOR
(5 y 6) PARO DE EMERGENCIA 4 NIQUELINA
6 INDICADOR DE PROCESO
Donde 1,3,5,7 son Tierra 8 INDICADOR DE EMERGENCIA
Elaborado por: Diego Narváez
4.15 Elaboración de la estrategia de control
Se elaboró las estrategias de control en un computador de propiedad de la empresa
auspiciante con software original de Opto 22, iniciando con la configuración TCP/IP
mostrada en el punto 4.7, con respecto a las direcciones IP.
En la Figura 4.22 se muestra el Chart PowerUp que es la estructura básica que
proporciona el arranque a los Charts, que se coloca por defecto cuando se abre un
nuevo proyecto en ioControl.
4.15.1 Chart PowerUp
PowerUp- Inicio chart proceso continuo
Figura 4.22. Chart PowerUp proceso continuo
Elaborado por: Diego Narváez
51
El primer paso es establecer la comunicación RS-232 entre: el Arduino Mega y el
controlador, para transmitir el valor de temperatura del horno que envía el sensor
LM35 al Arduino Mega y este al Snap-Ultimate.
En la Figura 4.23 se muestra el diagrama lógico del Chart comunicación.
4.15.2 Diagrama lógico Chart comunicación
4.15.3 Diagrama lógico del proceso continuo
En la Figura 4.24 se presenta la estructura lógica del proceso continuo.
Diagrama lógico Chart comunicación
Figura 4.23. Diagrama lógico (comunicación)
Elaborado por: Diego Narváez
52
4.15.4 Diagrama lógico del Chart histéresis
En la Figura 4.25 se presenta la estructura lógica del proceso de histéresis.
Diagrama lógico proceso continuo
Figura 4.24. Diagrama proceso continuo
Elaborado por: Diego Narváez
Figura 4.25. Diagrama lógico Chart histéresis
Elaborado por: Diego Narváez
Diagrama lógico proceso continuo
53
4.16 Diagrama lógico HMI
En el diagrama se muestra la selección de las interfaces que corresponden a cada
proceso mediante un tag correspondiente al HMI.
Se presenta el diagrama lógico del HMI en la Figura 4.26.
4.17 Secuencia Charts ioControl
4.17.1 Chart sistema
Este Chart muestra la seguridad del control de la planta, como son indicadores de
emergencia y tags correspondientes al HMI.
Diagrama lógico HMI
Figura 4.26. Diagrama lógico HMI
Elaborado por: Diego Narváez
Programación control continuo
Figura 4.27. Diagrama de flujo Chart Sistema
Elaborado por: Diego Narváez
54
4.17.2 Chart inicio
Este Chart muestra los parámetros generales de la planta, en el mismo se encuentra el
arranque del Chart histéresis que contiene el control del proceso, así como también el
encendido y apagado de la planta.
4.17.3 Chart histéresis
Este Chart contiene el control específico de la planta, donde se cumple todo el proceso
a realizarse, este Chart está compuesto por un bloque Optoscript, donde se da los
parámetros máximos y mínimos para construir la ventana de histéresis. Se lo realizó
en script debido a su programación simplificada.
Programación control continuo
Figura 4.28. Diagrama de flujo Chart Inicio
Elaborado por: Diego Narváez
Programación control continuo
Figura 4.29. Diagrama de flujo Chart Histéresis
Elaborado por: Diego Narváez
55
4.17.4 Chart ventilador
Este Chart produce la perturbación en el sistema, está diseñado como una perturbación
externa, donde este no tiene ninguna programación o unión con el sistema trabaja de
manera independiente.
4.18 HMI general
La interfaz HMI principal contiene a los sub HMI´s de los procesos secuencial y
continuo. Se la diseñó con un fondo de color azul debido a la percepción del color, de
modo que contraste con el área de exhibición, se insertó dos botones independientes
en la parte inferior para seleccionar los procesos.
Tomando en cuenta que es un módulo demostrativo se debe colocar la mayor cantidad
de herramientas para mostrar las prestaciones del proyecto, es por esta razón que se
colocó el logotipo de la empresa auspiciante, el logotipo de la marca utilizada y el
logotipo de la Universidad. Se debe mencionar que el logotipo de la marca Opto 22
ubicado en la parte inferior derecha posee la característica de enlazar al usuario
directamente con su página web, donde se encuentra todo relacionado a equipos de la
marca, además de soporte técnico online y ventas.
Programación control continuo
Figura 4.30. Diagrama de flujo Chart Ventilador
Elaborado por: Diego Narváez
56
4.19 HMI proceso secuencial
En este HMI se colocó la animación del proceso, sus pulsadores de mando para
controlar el proceso, y sus respectivos indicadores y seguridades (alarmas y paro de
emergencia) como se muestra en la Figura 4.32.
Tomando en cuenta que el tiempo que va a estar el operador frente a la pantalla es
considerable, se escogió un color celeste en tono pastel sin brillo, para evitar el
desgaste de la vista y posibles accidentes por sueño o cansancio.
Con estos antecedentes se contrastó los colores de los pulsadores y alarmas en base a
la norma ISA101 para el diseño HMI.
HMI Principal
Figura 4.31. HMI ventana principal
Elaborado por: Diego Narváez
HMI Proceso secuencial
Figura 4.32. HMI ventana proceso secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
57
4.20 HMI proceso continuo
Este HMI contiene la animación del proceso, pulsadores de control del proceso,
indicadores y alarmas, como se muestra en la Figura 4.33.
Se lo diseñó con un fondo celeste oscuro debido a las consideraciones tomadas con
anterioridad, se insertó una ventana trend (tendencia) en la parte derecha para
monitorear las variables utilizadas en el control continuo en tiempo real, además se
añadió la lectura de la temperatura del horno en la parte superior izquierda, un botón
para definir el Setpoint según considere el operador, también se colocó una imagen de
la ventana de histéresis en la parte inferior izquierda para ubicar al operador los
parámetros que deben ser ingresados en los límites del ancho de ventana de histéresis.
4.21 Diseño tablero de control
El tablero de control es metálico y fue proporcionado por la empresa auspiciante.
Según las normas de instalación de tableros de control, los rieles y canaletas del
cableado eléctrico van colocados a los extremos del tablero y los equipos de control
en el centro.
En la Figura 4.34 se muestra el diagrama de distribución de los elementos colocados
y dimensiones del tablero de control.
HMI Proceso continuo
Figura 4.33. HMI ventana proceso continuo
Elaborado por: Diego Narváez
58
Para establecer una correcta distribución de los elementos y canaletas que forman el
tablero de control es necesario realizar los cálculos de área correspondientes.
En la Ecuación 4.13 se realiza el cálculo del área del tablero sin elementos con sus
dimensiones.
Área Total= 55,5 cm. x 35,5 cm.= 1859,25 𝑐𝑚2 (4.13)
En la Figura 4.35 se muestra las dimensiones en centímetros de los elementos y
canaletas montados sobre el tablero de control.
En la Tabla 4.15 se muestran las áreas de los elementos y canaletas del tablero de
control.
Figura 4.34. Diagrama lineal del tablero de control
Elaborado por: Diego Narváez
Diagrama lineal del tablero de control
Figura 4.35. Diagrama dimensional tablero de control
Elaborado por: Diego Narváez
Diagrama dimensional del tablero de control
59
Tabla 4.15
Elementos Tablero de control
ELEMENTO ÁREA (𝑐𝑚2)
Fuente módulo 1 210
Fuente módulo 2 210
Switch 147
Regleta eléctrica 83,25
Snap-Lce 45
Snap-Ultimate-Up1-Ads 155
ÁREA TOTAL 850,25
Elaborado por: Diego Narváez
Tabla 4.16
Canaletas Tablero de control
CANALETAS ÁREA (𝑐𝑚2)
Canaleta 1 188,10
Canaleta 2 95
ÁREA TOTAL 283,10
Elaborado por: Diego Narváez
Según las normas de distribución de tableros de control, se debe realizar la sumatoria
de áreas de elementos con el área de canaletas. De esta manera el cálculo es el
siguiente:
Área de Elementos + Área de Canaletas= 850,25 𝑐𝑚2 + 283,10 𝑐𝑚2
Área del Tablero= 1133,35 𝑐𝑚2 (4.14)
Con este resultado se tiene el área total del tablero, donde se debe sumar el porcentaje
de ingeniería que se refiere a los espacios libres entre elementos y canaletas que
normalmente lo determina el diseñador. Para el diseño se consideró un porcentaje de
ingeniería del 25%, con lo que se tendrá lo siguiente:
El 25 % de 1133,35 𝑐𝑚2 es 283,33 𝑐𝑚2
Por lo tanto, sumando el porcentaje de ingeniería se tiene:
1133,35 𝑐𝑚2 + 283.33 𝑐𝑚2 = 1416,68 𝑐𝑚2 (4.15)
60
Con los resultados obtenidos lo adecuado es utilizar un tablero con las medidas que se
resalta en la Tabla 4.17.
Tabla 4.17
Dimensiones nominales de tableros
DIMENSIONES NOMINALES
BASE ALTURA (𝑐𝑚2)
40 30 1200
60 40 2400
85 60 5100
100 80 8000
120 80 9600
140 80 11200
Nota. Fuente: http://www.domme.cl/tableros-electricos/
Elaborado por: Diego Narváez
Ya que se cuenta con un tablero proporcionado por la empresa, se tuvo que distribuir
los elementos de acuerdo al espacio disponible.
Tomando en cuenta estas normas y por falta de espacio, la distribución quedó de la
siguiente manera:
Parte superior derecha: Elementos de control (equipos Opto 22)
Parte inferior derecha: Fuente del módulo 2 y switch
Parte superior izquierda: Fuente del módulo 1
Parte inferior izquierda: Regletas de alimentación y protecciones
Figura 4.36. Montaje y distribución del tablero de control
Elaborado por: Diego Narváez
Tablero de control
61
Es el puerto Ethernet del
controlador Snap
Ultimate- Up1- Ads
En la Figura 4.36 se observa el controlador del módulo 1, y el controlador del módulo
2, conectados a un switch con su descripción detallada en la siguiente tabla:
Tabla 4.18
Descripción de puertos Ethernet del switch
E1
SE1
E2
ETHERNET PC
Elaborado por: Diego Narváez
Es el puerto Ethernet del
controlador Snap Lce.
Es el puerto Ethernet del
Brain Snap Enet-S64 que
trabaja en conjunto con
el Snap Lce.
Es el puerto Ethernet del
computador maestro.
62
CAPÍTULO 5
PRUEBAS Y RESULTADOS
5.1 Generalidades
Este capítulo presenta las pruebas y resultados de las plantas de procesos secuenciales
y continuos, así como también el cambio de elementos que fueron necesarios para un
funcionamiento adecuado.
5.2 Pruebas en el proceso secuencial
Ya que originalmente se tenía un interruptor con enclavamiento y debido a la memoria
que posee el elemento al quedarse conectado, se reemplazó el interruptor por un
pulsador industrial, además se modificó su software ya que va relacionado con el
pulsador para realizar las acciones de encendido y apagado del proceso.
Todo esto se realizó debido a la falta de entradas del módulo y a la necesidad de
controlar el proceso mediante un solo elemento de control.
5.3 Estudio comparativo del proceso secuencial
5.3.1 Pruebas de tiempo
Se realizó la comparación de tiempo de respuesta utilizando 10 envases metálicos,
estas pruebas se hicieron en modo centralizado y distribuido.
Cambio proceso secuencial
Figura 5.1. Cambio de pulsador en el proceso secuencial, (A) Con Selector,
(B) Con Pulsador
Elaborado por: Diego Narváez
63
Tabla 5.1
Prueba de tiempo del control distribuido vs. control centralizado proceso secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
Con estos resultados se observa que el tiempo de respuesta es mínima, manteniendo
una diferencia en milisegundos lo que es imperceptible ante el operador, con esto se
demuestra la alta eficiencia de los equipos Opto 22 en respuesta, rapidez y control de
procesos.
5.3.2 Pruebas de eficiencia
Se realizó pruebas de eficiencia con un lote de 20 envases metálicos en proceso de
tapado para mostrar la cantidad de envases metálicos bien y mal procesados.
Tabla 5.2
Prueba de eficiencia del control distribuido vs. control centralizado proceso
secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
Con estos resultados se determina que la eficiencia para el módulo demostrativo es
considerablemente aceptable, con lo que se demuestra la eficacia de los equipos Opto
22 al realizar este proceso.
Tiempo Tiempo
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 1 Prueba 2
2 min. 03s. 16ms. 2 min. 03s 11ms. 2 min. 03s. 05ms. 2 min. 03s. 06ms.
Prueba 3 Prueba 4 Prueba 3 Prueba 4
2 min. 03s. 10ms. 2 min. 03s 13ms. 2 min. 03s. 08ms. 2 min. 03s. 04ms.
Envases bien
procesados
Envases mal
procesados
Envases bien
procesados
Envases mal
procesados
Prueba 1 84% 16% Prueba 1 89% 11%
Prueba 2 80% 20% Prueba 2 86% 14%
Prueba 3 83% 17% Prueba 3 85% 15%
Prueba 4 81% 19% Prueba 4 86% 14%
Control Distribuido (con red Ethernet)
10 envases metálicos
Control Centralizado (sin red Ethernet)
10 envases metálicos
Control Distribuido (con red Ethernet)
100 envases metálicos
Control Centralizado (sin red Ethernet)
100 envases metálicos
64
5.4 Pruebas en el proceso continuo
Un cambio que se realizó en el proceso continuo fue el reemplazo del sensor de
temperatura PT100 por un sensor de temperatura LM35 ya que al momento de realizar
las pruebas con el PT100 este se comportaba linealmente a partir de los 50°C, pero
menor a los 50°C se comportaba muy impreciso con variaciones totalmente desviadas.
Tomando en cuenta que dentro del horno solo se utiliza la niquelina inferior por el
posicionamiento del sensor y para evitar daños en el elemento, se basó en las pruebas
de temperatura máxima que alcanza el horno que está entre los 135°C - 140°C, por
este motivo se decidió reemplazar el PT100 por el LM35 que soporta hasta 150°C.
Para este proceso se realizó una comparación con un termómetro industrial para ajustar
la similitud del valor de temperatura.
5.5 Mediciones con el sensor de temperatura LM35
En la Tabla 5.3 se muestra el comportamiento lineal del sensor LM35 por medio de
mediciones realizadas a varios grados de temperatura, su promedio y el ajuste de 0-5v.
Cambios proceso continuo
Figura 5.2. Cambio de sensor en el proceso continuo, (A) PT100, (B) LM35
Elaborado por: Diego Narváez
65
Tabla 5.3
Mediciones sensor LM35
Temperatura
(°C)
Medida 1
(mv)
Medida 2
(mv)
Promedio
(mv)
(°C) 0-5 (v) Temperatura
(0-5 v) (°C)
0 30 31 3.5 3.05
5 49 56 5.5 5.25 0.852 8
10 91 105 98 9.8 1.04 10
15 150 152 151 15.1 1.51 15
20 189 204 196.5 19.65 2.052 20
25 242 246 244 24.4 2.588 25
30 300 293 296.5 29.65 3.092 30
35 354 345 349.5 34.95 3.589 35
40 401 404 402.5 40.25 4.092 40
45 440 443 441.5 44.15 4.50 45
50 502 496 499 49.9 5.02 50
Elaborado por: Diego Narváez
5.6 Estudio comparativo del proceso continuo
5.6.1 Pruebas de tiempo
Se realizó la comparación de tiempo de respuesta utilizando un Setpoint y un ancho de
ventana definido, estas pruebas se hicieron en modo centralizado y distribuido,
tomando en cuenta que la temperatura inicial del horno es de 23.4°C.
Tabla 5.4
Comparación de tiempo del control distribuido vs. control centralizado proceso
continuo
Tiempo de estabilización Tiempo de estabilización
Prueba 1 1min. 29s. 71ms Prueba 1 1min. 29s. 45ms
Prueba 2 1min. 29s. 58ms Prueba 2 1min. 29s. 39ms
Prueba 3 1min. 29s. 69ms Prueba 3 1min. 29s. 47ms
Prueba 4 1min. 29s. 72ms Prueba 4 1min. 29s. 41ms
Elaborado por: Diego Narváez
Con los resultados obtenidos se observa que el tiempo de respuesta es relativamente el
Control Distribuido (con red Ethernet)
Setpoint= 50°C
Control Centralizado (sin red Ethernet)
Setpoint= 50°C
Max. 3
Min. 3
Ventana de
Histéresis
Max. 3
Min. 3
Ventana de
Histéresis
66
mismo, manteniendo un leve cambio en milisegundos que es imperceptible ante el
operador, con lo que se demuestra la alta eficiencia de los equipos Opto 22 en
respuesta, rapidez y control de procesos.
5.6.2 Pruebas de eficiencia
Se realizó pruebas de eficiencia con un Setpoint de 40°C, un ancho de ventana de 5°C
y diferentes tiempos de perturbación, para mostrar la reacción del proceso frente a esta
variación.
Tabla 5.5
Comparación de eficiencia del control distribuido vs. control centralizado proceso
continuo
Perturbación de 10 segundos
Prueba 1 Responde en 20 segundos Responde en 23 segundos
Prueba 2 Responde en 18 segundos Responde en 17 segundos
Perturbación de 20 segundos
Prueba 3 Responde en 29 segundos Responde en 31 segundos
Prueba 4 Responde en 29 segundos Responde en 30 segundos
Elaborado por: Diego Narváez
Control Distribuido (con red Ethernet)
Setpoint= 40°C
Control Centralizado (sin red Ethernet)
Setpoint= 40°C
Figura 5.3. Trend proceso continuo
Elaborado por: Diego Narváez
Ventana Trend
Max. 5
Min. 5
Ventana de
Histéresis
Max. 5
Min. 5
Ventana de
Histéresis
67
Con los resultados de la Tabla 5.5 se determina que la eficiencia para el módulo
demostrativo es considerablemente aceptable, con lo que se demuestra la eficacia de
los equipos Opto 22 al realizar este proceso.
5.7 Exportación de datos del proceso secuencial a software comercial
Se escogió exportar los datos del proceso a Microsoft Excel y presentarlos en
Microsoft Access debido a que son softwares que están ampliamente distribuidos entre
usuarios Windows y que forman parte del paquete de Office.
Para realizar la exportación de datos fue necesario primeramente separar los datos que
genera el proceso secuencial en un archivo con extensión T05 que es compatible con
Microsoft Excel, el cual se genera automáticamente en ioControl una vez ejecutada la
estrategia de control, seguidamente se diseñó una interfaz en Microsoft Access para
mostrar los datos del proceso obtenido.
Separación de datos en Excel
Figura 5.5. Datos Microsoft Excel proceso secuencial
Elaborado por: Diego Narváez
Figura 5.4. Trend aplicando perturbación
Elaborado por: Diego Narváez
Ventana Trend- Perturbación
68
Una vez separado los datos, se elaboró un informe en Microsoft Access para presentar
en forma ordenada y detallada cada acción que realiza el proceso secuencial, a esto se
le añadió un botón de impresión para mostrar el informe físico si fuese necesario.
5.8 Exportación de datos del proceso continuo a software comercial
De la misma manera como se explicó en el punto 5.7, primeramente, se separó los
datos en Excel como se muestra en la Figura 5.7.
Una vez terminada la separación de datos, se importa el documento realizado en
Microsoft Excel hacia Access para presentarlo en forma ordenada y detallada como se
muestra en la Figura 5.6.
Informe en Access
Figura 5.6. Informe proceso secuencial en Microsoft Access
Elaborado por: Diego Narváez
Separación de datos en Excel
Figura 5.7. Datos en Microsoft Excel proceso continuo
Elaborado por: Diego Narváez
69
CONCLUSIONES
Una planta demostrativa a pequeña escala, como la del presente trabajo, muestra de
manera comprensible y sencilla los criterios de control para mantener constante la
variable temperatura en presencia de una perturbación externa, debido a su gran
tendencia en la utilización en cámaras frías y sistemas de refrigeración para garantizar
eficiencia en el sistema a un bajo costo.
Por medio del estudio de las características y pruebas realizadas a los equipos Opto
22, se demuestra que estos equipos son altamente eficientes para la elaboración de
sistemas de control continuos y discretos por su capacidad de respuesta a los procesos.
Mediante las pruebas realizadas en modo centralizado y distribuido se ratifica que el
modo centralizado en los equipos Opto 22 es el más apropiado, porque demuestra una
alta rapidez para el control de procesos, ya que su capacidad y memoria es utilizada
directamente al proceso a diferencia del modo distribuido que muestra el estado del
sistema y las variables en tiempo real.
Con los datos de eficiencia obtenidos del proceso secuencial se logró un margen de
86%, el que indica que el sistema tiene un rango aceptable para productos envasados
de acuerdo a la Norma RTE INEN 022.
Por medio de los resultados obtenidos de eficiencia y tiempos de respuesta se afirma
que en el proceso secuencial y continuo se produce una diferencia mínima, y poco
perceptible durante la ejecución del control de las plantas, debido a que su respuesta a
estos procesos es netamente inmediata porque los equipos Opto 22 se fabrican con
procesadores Coldfire de 32 bits que los hace más rápidos.
Con los conocimientos adquiridos de control, redes industriales y comunicaciones, se
demostró una automatización probada de un sistema secuencial con un controlador
Enet-S64, dedicado a este tipo de trabajo y que en un futuro se lo puede implementar
de forma industrial para procesos de sellado de alimentos, porque los productos
enlatados se fabrican en masa y el tiempo es una prioridad.
70
Por medio de pruebas de manera centralizada y distribuida se demuestra la robustez
de los equipos Opto 22 debido a que en estos se puede agregar entradas/salidas en
cualquier momento, transferir datos a un servidor OPC, respaldo en tiempo real de
datos descargados al controlador y monitorización de datos vía web mediante Groov
(aplicación móvil para controlar y supervisar cualquier equipo de automatización de
la marca Opto 22).
Del trabajo realizado se ganó experiencia debido a que a lo largo del desarrollo del
trabajo se empezó a trabajar con una variable de nivel que no era la variable solicitada
dentro del plan de tesis.
71
RECOMENDACIONES
La creación de una interfaz HMI amigable y sencilla le provee seguridad al operador
para manejarla de manera eficiente, de este modo el operador puede tomar decisiones
más rápidas en casos de emergencia.
Todo trabajo se debe desarrollarlo con el plan original para evitar pérdida de tiempo
en trabajos innecesarios y no cometer errores.
Evitar poner las mangueras neumáticas a 90° debido a que esto representa perdida de
fluidez del aire comprimido y podría causar cortes en las mangueras lo que ocasionaría
daños en el compresor.
No parchar fugas en mangueras neumáticas con tape o algún tipo de cinta, porque esto
ocasionaría el mal funcionamiento de equipos neumáticos. Se debe reemplazar el área
dañada.
No exceder la presión mostrada por el fabricante debido a que esto podría generar una
fuerza excesiva y dañar los cilindros neumáticos por su uso inadecuado.
Aislar la energía eléctrica del tablero de control para evitar daños porque los equipos
pueden presentar fugas electromagnéticas causando el daño total o parcial de los
controladores.
Cuando se suministre aire comprimido a las mangueras neumáticas asegúrese de que
estén debidamente acopladas y firmes para evitar latigazos debido a que pueden causar
heridas en la piel, cortaduras y otros daños físicos.
72
LISTA DE REFERENCIAS
Acedo Sánchez, J. (2003). Control avanzado de procesos (Teoría y práctica). Madrid,
España: Edigrafos S.A.
Creus Solé, A. (2007). Neumática e Hidráulica. Catalanes, España: Marcombo S.A.
DEICOMS. (2016). Obtenido de http://www.deicoms.com.mx/sitio/productos/opto-
22/sistemas-snap-pac/
Dorf, R., & Bishop, R. (2008). Sistemas de control moderno. Madrid, España: Pearson.
Gomáriz, S., Biel, D., Matas, J., & Reyes, M. (2000). Teoría de control- diseño
electrónico (Segunda ed.). Barcelona, España: Upc.
Ogata, K. (2010). Ingeniería de control moderna (Quinta ed.). Madrid, España:
Pearson.
Opto 22. (2014). Obtenido de
http://www.opto22.com/site/pr_details.aspx?cid=4&item=SNAP-OAC5
Opto 22. (2015). Obtenido de
http://documents.opto22.com/1696_SNAP_PAC_System_Specification_Guid
e.pdf
Opto 22. (2016). Obtenido de
http://www.opto22.com/site/pr_details.aspx?cid=4&item=SNAP-OAC5-I
Opto22. (2 de 12 de 2008). Obtenido de Soporte Opto 22:
http://www.opto22.com/documents/1335S_Acerca_de_Opto.pdf
73
RealtimeService. (6 de Abril de 2010). Desarrollos Especiales Opto22. Obtenido de
http://www.realtimeservice.net/sp/desarrollos/especiales/configuracion/opto2
2.htm
Rodríguez Penin, A. (2007). Sistemas Scada. Mexico D,F: Alfaomega.
Slideshare. (2013). Obtenido de Sensores inductivos:
http://es.slideshare.net/lonely113/sensores-inductivos-8801776
74
ANEXOS
Datos Técnicos de los equipos
Los anexos presentados a continuación son tomados de páginas web de cada fabricante
del elemento citados en la lista de referencias.
Anexo 1: Sensor inductivo proximidad para metales
Características Técnicas
Tipo NPN, 3 cables, Normalmente Abierto
Distancia de Detección 4-6 mm.
Voltaje de Trabajo 6-36 VDC
Corriente 300 mA
Temperatura -25°C a 55°C
Anexo 2: Sensor de temperatura LM35 con Conexión Arduino
75
Características Técnicas
Rango de Temperatura -55°C a 150°C
Respuesta de Sensado 10 mV/°C
Voltaje de Trabajo 4-30 VDC
Corriente 60 µA
Resolución ± ¼°C
Anexo 3: Módulo de entrada digital SNAP IDC5
Características técnicas
Tensión de salida
5v. máx. (encendido)
2 mA de bajada
2.7v. min. (apagado)
0.4 mA. de abastecimiento
Número de canales por
módulo 4
Rango de voltaje de entrada 10-32 VAC/VDC
Aislamiento óptico 4000 V. (transitorio)
Corriente lógica de suministro 50 mA. máximo
Anexo 4: Módulo de salida digital SNAP OAC5-i
76
Características técnicas
Fuga en estado desactivado
Tensión nominal- 60 Hz.
2.5 mA. 240 VAC
1.25 mA. 120 VA
Número de canales por
módulo 4
Voltaje nominal 120/240 VAC
Temperatura -20 a 70°C, operativo
-40 a 85°C, almacenamiento
Corriente mínima de carga 20 mA.
Anexo 5: Módulo de salida digital SNAP OAC5
Características técnicas
Fuga en estado
desactivado Tensión
nominal- 60 Hz.
2.5 mA. 240 VAC
1.25 mA. 120 VA
Número de canales por
módulo 4
Voltaje nominal 120/240 VAC
Temperatura -20 a 70°C, operativo
-40 a 85°C, almacenamiento
Corriente mínima de carga 20 mA.
Anexo 6: Electroválvula MAC 5/2
77
Características Técnicas
Fluido Aire comprimido, gases inertes
Voltaje de trabajo 110/120 VAC
Rango de presión 25 a 150 PSI
Bobina De propósito general clase A, encapsulado
Anexo 7: Electroválvula MAC 4/2
Características Técnicas electroválvula MAC 4/2
Fluido Aire comprimido, gases inertes
Voltaje de trabajo 110/120 VAC
Rango de presión 25 a 150 PSI
Bobina De propósito general clase A, encapsulado
Anexo 8: Unidad de mantenimiento integrado MINDMAN
Características Técnicas
Componentes MAFR300- MAL300
Tamaño de conexión 1/4, 3/8
Rango de Presión de
funcionamiento
0,05-1 MPa
Presión de prueba 1,5 MPa
78
Planos AutoCAD
Anexo 9: Plano dimensional controlador SNAP-LCE
79
Anexo 10: Plano dimensional base SNAP M16
80
Anexo 11: Plano dimensional controlador SNAP ULTIMATE UP1-ADS
81
Anexo 12: Plano dimensional base SNAP PB4M