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Capítulo IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
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Capítulo IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
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CAPÍTULO IV
RESULTADOS DE LA INVESTIGACÓN En el presente capítulo se desarrollarán cada una de las fases necesarias
para diseñar un sistema de control y monitoreo del proceso de empacado de
leche en polvo en la planta Gibica S.A, con el fin de presentar resultados y
recomendaciones.
1. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS DATOS Y RESULTADOS
A continuación se detallan los resultados obtenidos de la investigación
mediante la implementación de los diferentes tipos de instrumentos aplicados
en la planta Gibica S.A., diseñados con la finalidad de captar información
para realizar el análisis y la interpretación de los resultados, a fin de realizar
la propuesta, establecer conclusiones y presentar las recomendaciones
correspondientes para solucionar el problema.
1.1. DESARROLLO DE CADA FASE DE LA INVESTIGACIÓN
FASE I: DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
En esta primera fase del estudio se desarrollan las actividades para dar
respuesta al primer objetivo de la investigación, a través de visitas regulares
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a la empresa con el fin de observar directamente la situación, además de la
utilización de una guía de observación y la aplicación de cuestionarios al
personal, se verificó la situación actual de la empresa con respecto al
proceso de empacado de leche en polvo, los resultados obtenidos se
exponen en el cuadro 2.
Cuadro 4 Guía de Observación
.
ELEMENTOS PRESENTES CUMPLIMIENTO
SI NO
1 Proceso automatizado. X
2 Sensores de nivel. X
3 Sensores de velocidad. X
4
Sensores de temperatura.
X
5
Existe un controlador lógico
programable
X
6
Existen sistemas de
monitoreo.
X
7
Presencia de operadores en la
planta.
X
8
Existe un historial de fallas.
X
9
Alarma de nivel bajo y alto.
X
10
Alarma de velocidad alta y
baja
X
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
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Cuadro 4 (Cont)
Guía de Observación
11
Alarma de temperatura alta y
baja
X
12
Posibilidad del operador de
incidir sobre el proceso.
X
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Según los fundamentos expuestos por la guía de observación se puede
visualizar que en la situación actual de la empresa, existe la misma cantidad
de elementos, características o actividades que son cumplidas o no por la
misma. El proceso se encuentra automatizado por lo cual se hace necesario
el uso de sensores y alarmas, sin embargo no existe un control o monitoreo a
aquellos elementos que no influyen directamente en el proceso pero que son
necesarios para el control y monitoreo de fallas.
Sumado a lo anterior se muestra el siguiente instrumento de la presente
fase; el cuestionario, el cual es dirigido específicamente al departamento de
producción con el fin de identificar la situación actual que presenta la
empresa. Tal instrumento fue aplicado a una población de 7 técnicos de la
empresa, obteniendo los resultados mostrados a continuación.
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Cuadro 5 Cuestionario
PREGUNTAS RESPUESTAS
SI NO
¿El proceso de empacado de leche en polvo se encuentra automatizado?
¿Todo el proceso es controlado por un controlador lógico programable (PLC)?
¿Existen sensores necesarios para el monitoreo del proceso de empacado?
¿Existen alarmas necesarias para el monitoreo del proceso de empacado?
¿La planta presenta fallas periódicamente?
¿Existen subidas de las variables involucradas de forma constante?
¿Han ocurrido daños a equipos por subidas de temperatura?
¿Es necesario que el operador se encuentre en la planta para realizar el control del proceso?
¿El proceso puede ser monitoreado desde una oficina distante del entorno industrial?
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Ítem 1
En relación al ítem 1, denominado ¿El proceso de empacado de leche en
polvo se encuentra automatizado?, tal como se muestra en el gráfico 2 el
100% de los participantes expresan que el proceso de empacado de leche
en polvo se encuentra totalmente automatizado por lo cual es posible inferir
que exista un controlador lógico programable dentro de la planta .
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Gráfico 2. ¿El proceso de empacado de leche en polvo se encuentra
automatizado?
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Ítem 2
En relación al ítem 2, denominado ¿Todo el proceso es controlado por un
controlador lógico programable (PLC)?, tal como se muestra en el gráfico 3 el
100% de los participantes afirma que existe un controlador lógico
programable el cual es el encargado de realizar todo el proceso industrial de
forma autómata y automatizada, dicho controlador necesita de un elemento
que le proporcione información del proceso denominado sensor, por lo cual
es necesario corroborar su existencia a través del próximo ítem.
Gráfico 3. ¿Todo el proceso es controlado por un controlador lógico
programable (PLC)?
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
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Ítem 3
En relación al ítem 3, denominado ¿Existen sensores necesarios para el
monitoreo del proceso de empacado?, el 80% de los participantes expuestos
en el gráfico 4 muestran la existencia de sensores necesarios para que el
controlador lógico programable pueda obtener información del proceso,
además de poder enviarle información ya sea abriendo y cerrando válvulas, o
encendiendo alarmas necesarias para que el operador pueda saber si existe
una falla o no.
Gráfico 4. ¿Existen sensores necesarios para el monitoreo del proceso de empacado?
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Ítem 4
En relación al ítem 4, denominado ¿Existen alarmas necesarias para el
monitoreo del proceso de empacado?, Cualquier proceso industrial necesita
de alarmas que le hagan saber a tiempo al operador que la máquina
presenta en un momento determinado una falla, por esta razón el 100% de
los participantes afirman la existencia de diferentes alarmas según sea la
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falla o necesidad del proceso industrial.
Gráfico 5. ¿Existen alarmas necesarias para el monitoreo del proceso de empacado?
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Ítem 5
En relación al ítem 5, denominado ¿La planta presenta fallas
periódicamente?, el gráfico 6 muestra que el 100% de los empleados
encuestados afirman que la planta empaquetadora de leche Gibica S.A
presenta falla constantemente por lo cual el operador debe incidir
directamente en el proceso industrial con el fin de solucionar dicho problema
o falla.
Gráfico 6. ¿La planta presenta fallas periódicamente?
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Ítem 6
En relación al ítem 6, denominado ¿Existen subidas de las variables
involucradas de forma constante?, el gráfico 7 muestran que en el proceso
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de empacado de leche en polvo en la planta Gibica S.A las fallas por subida
de temperatura, velocidad o nivel no se presenta de forma constante, aunque
debido a que esta teoría es afirmada por el 70% de los participantes, es
posible inferir que en varias ocasiones se han presentado dichas fallas.
Gráfico 7. ¿Existen subidas de las variables involucradas de forma constante?
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Ítem 7
En relación al ítem 7, denominado ¿Han ocurrido daños a equipos por
subidas de temperatura?, el gráfico 8 muestra que el 60% de los empleados
participante afirma que han ocurrido pérdidas en la empresa por el daño de
los equipos debido a las subidas de temperatura, lo cual indica que es
necesario mejorar el sistema de monitoreo y control del proceso de
empacado de leche en polvo en la planta Gibica S.A.
Gráfico 8. ¿Han ocurrido daños a equipos por subidas de temperatura? Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
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Ítem 8
En relación al ítem 8, denominado ¿Es necesario que el operador se
encuentre en la planta para realizar el control del proceso?, a través de el
gráfico 9 se identifica que el 100% está de acuerdo con la presencia de mano
de obra u operadores incidiendo directamente en el proceso industrial por lo
cual es posible inferir que la empresa no cuenta con una Interfaz hombre
máquina para el monitoreo y control industrial.
Gráfico 9. ¿Es necesario que el operador se encuentre en la planta para realizar el control del proceso?
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Ítem 9
En relación al ítem 9, denominado ¿El proceso puede ser monitoreado
desde una oficina distante del entorno industrial?, el gráfico 10 muestra que
le 0% de los empleados están de acuerdo con que no existe un sistema de
monitoreo en una zona fuera del entorno industrial, por lo cual es necesario
implementar en la empresa Gibica S.A una interfaz hombre máquina que
sirva para el monitoreo y control del proceso de empacado de leche en polvo,
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dicha interfaz puede ser usada en conjunto con la automatización del
proceso ya implementada en la planta a través del controlador lógico
programable existente, lo que evitara que se presenten fallas
periódicamente, subidas en las variables o daños constantes en los equipos.
Gráfico 10. ¿El proceso puede ser monitoreado desde una oficina distante del entorno industrial?
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
FASE II: SUBDIVISIÓN DEL PROBLEMA Para desarrollar un sistema de control y monitoreo del proceso de
empacado de leche en polvo en la planta GIBICA S.A, es necesario diseñar
la estrategia de control y monitoreo, así como también la interfaz
humano/máquina al igual que el hardware asociado al control y monitoreo del
proceso. Para ello se plantean las siguientes tareas:
• Realizar las conexiones de los sensores con el PLC.
• Diseñar las partes electrónicas (conectores y demás componentes y
dispositivos) del proceso de empacado de leche en polvo.
• Utilizar el PLC existente en la planta para lograr la implementación de los
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diseños previos.
FASE III: DOCUMENTACIÓN
Con el fin de indicar cómo construir mantener y actualizar el diseño, es de
vital importancia realizar la documentación de cada una de las etapas o
procesos necesarios para el diseño de un sistema de control y monitoreo del
proceso de empacado de leche en polvo en la planta empaquetadora de
leche Gibica S.A. Dicha documentación se ve reflejada en este proyecto a
través de una lista de componentes a utilizar, asi como también el uso de
diagramas de flujo, diagramas de pantalla, diagramas de proceso y de
diagramas circuitales. Entre los componentes a utilizar se encuentran los
sensores descritos a continuación:
1.1.1 SENSOR DE VELOCIDAD
Según Pallás (2003 p.200) “un sensor de velocidad está compuesto por
una bobina de alambre, un imán y una bascula, los cuales se encuentran
colocados de forma que al moverse la bascula, el imán permanece sin
moverse, creando un movimiento relativo a el campo magnético y
provocando así una corriente en la bobina proporcional a la velocidad del
movimiento”, por esta razón es posible afirmar que un sensor de velocidad
transforma el desplazamiento de un cuerpo por una unidad de tiempo en una
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señal eléctrica.
1.1.1.2 SITRANS WS100
SITRANS WS100 es un sensor de velocidad que se acciona mediante el
eje del tambor el cual se encuentra acoplado magnéticamente. Resulta
idóneo para los sectores de áridos y canteras y la industria de materias
primas. Combinado con una báscula de cinta, el sensor de velocidad
SITRANS WS100 emite señales a un transmisor (Milltronics BW100/BW500
o módulo SIWAREX FTC), el cual calcula la capacidad de transporte. Pesa
solo 1,22 Kg (2,68 lbs), lo que facilita la instalación y alarga la vida útil del
cojinete, además de ser pequeño y ligero, posee buena resolución para
mediciones precisas, siendo idóneo para velocidades de eje variables.
El WS100 convierte el giro del eje en una secuencia de impulsos de 8
impulsos por revolución. Estos impulsos se envían a un transmisor
Milltronics para básculas de cinta. El transmisor procesa estos impulsos y
calcula a partir de ellos los valores de velocidad de la cinta, capacidad de
transporte y volumen acumulado. En aplicaciones sin báscula de cinta, el
WS100 puede utilizarse para vigilar la velocidad en caso de conexión directa
a un PLC.
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Gráfico 11. Sensor Sitrans WS100.
Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012). 1.1.1.3 MILLTRONICS TASS
El Milltronics TASS es un sensor de velocidad compacto y de reducido
tamaño con rodete para el montaje en la cinta inferior, ideal para el uso en
trituradores móviles e instalaciones con poco espacio, se encuentra
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combinado con una báscula de cinta, la cual permite calcular la capacidad de
transporte, determinando así la velocidad de la cinta y transmitiendo la señal
de salida al transmisor mediante conexión de cable.
El Milltronics TASS es combinado con una báscula de cinta, donde este
emite señales a un transmisor, el cual calcula la capacidad de transporte,
este sensor de velocidad cuenta con un brazo con movimiento por inercia el
cual monitoriza la velocidad de la cinta y transmite la señal de salida al
transmisor mediante conexión de cable. El TASS se instala fácilmente sobre
la cinta inferior y emite una señal proporcional a las revoluciones de la rueda,
con un detector de proximidad se detecta el giro de la rueda de cinco radios,
la velocidad de la cinta está así disponible en forma de salida de impulsos
para su posterior evaluación.
Gráfico 12. Sensor Milltronics TASS.
Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012).
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1.1.1.4 SITRANS WS300
SITRANS WS300 es un sensor de velocidad de baja y alta resolución con
accionamiento mediante un eje, este sensor emite una señal de frecuencia
proporcional a la velocidad de giro del eje de accionamiento, haciendo
posible una medición fiable de la velocidad. Posee un generador de impulsos
rectangulares que evitan alteraciones de la señal de velocidad debido a la
influencia de vibraciones u oscilaciones del eje.
Este sensor mide el sentido de transporte tanto en sentido horario como
antihorario. Destaca por su bajo peso (1,22 Kg. /2,68 lbs) y su robusta
construcción para medir la velocidad en cintas transportadoras, además
cuenta con una robusta caja en fundición de aluminio permitiendo la fácil
instalación al aire libre.
El WS300 es combinado con una báscula de cinta, permitiéndole así emitir
señales a un transmisor, el cual calcula la capacidad de transporte. El
WS300 se conecta directamente con el rodillo de reenvío o de cinta inferior,
garantizando resultados precisos sin la influencia de deslizamientos o
acumulaciones de material.
Con ayuda de un generador de impulsos de alta resolución, el WS300
convierte el giro del eje de accionamiento en 32, 256, 1000 ó 2000 impulsos
por revolución, la señal digital se transmite a la entrada de velocidad del
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transmisor Siemens, a fin de calcular la velocidad, el volumen de transporte y
la cantidad total.
Gráfico 13. Sensor Sitrans WS300.
Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012). 1.1.1.5 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS SENSORES DE
VELOCIDAD
En el siguiente cuadro se muestran una serie de comparaciones entre los
diferentes tipos de sensores de velocidad Siemens descritos anteriormente,
con el fin de elegir el adecuado para realizar el diseño de un sistema de
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monitoreo y control para la empaquetadora de leche Gibica S.A.
Cuadro 6 Comparación de sensores de velocidad.
Sensor
Campo de aplicación
Modo de operación
Entrada y Salida
SITRANS WS100
Idóneo para los sectores de áridos y canteras y la industria de materias primas.
Convierte el giro del eje en una secuencia de impulsos de 8 impulsos por revolución, enviándolos a un transmisor.
Rango de entrada de 15 a 1500 rpm, para una salida de 0 a 15 mA.
MILLTRONICS TASS
ideal para el uso en trituradores móviles e instalaciones con poco espacio
Cuenta con un brazo con movimiento por inercia el cual monitoriza la velocidad de la cinta y transmite la señal de salida al transmisor mediante conexión de cable.
Entrada de 25 a 350 rpm con salidas de corriente de 4 a 20 mA
SITRANS WS300
Es utilizado en ambientes de altas temperaturas, donde sea necesario mediciones precisas
Convierte el giro del eje de accionamiento en 32 impulsos por revolución, la señal digital se transmite a la entrada de velocidad del transmisor Siemens, a fin de calcular la velocidad, el volumen de transporte y la cantidad total.
Posee un rango de entrada de 0,5 a 5000 rpm para señal de salida que pueden varias de 0 a 15 mA o de 10 a 30 VDC.
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Para el diseño de un sistema de monitoreo y control del proceso de
empacado de leche en polvo en la planta Gibica S.A se hace necesaria la
utilización del sensor de velocidad SITRANS WS300 ya que este cumple con
los requerimientos de entrada y salida de señales necesarios para dicho
diseño.
1.1.2 SENSORES DE TEMPERATURA
Según López Vázquez (2010 p.284) “la temperatura es una magnitud
física cuyo valor es un índice de la energía cinética molecular. Su unidad de
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medida es el grado, pero el valor de esta unidad varía en función de la escala
termométrica a la que corresponda”, por lo cual, es posible afirmar que un
sensor de temperatura es un dispositivo que transforma los cambios de
temperatura en cambios en señales eléctricas que son procesados por un
equipo eléctrico o electrónico.
En el proceso de empacado de leche en polvo, la temperatura interviene
directamente ya que es un factor determinante en la seguridad tanto de la
planta como del operador, por tal motivo se hace necesario la selección de
un sensor de temperatura de entre las diferentes opciones que ofrece
SIEMENS, el cual sea capaz de satisfacer las necesidades de la planta
GIBICA, S.A.
1.1.2.1 CONVERTIDOR SITRANS TH100
El convertidor SITRANS TH100 es una de las opciones mas económicas
de SIEMENS, posee un aislamiento galvánico además de conexión universal
de diferentes sensores, para su configuración es necesario el uso del
software SIPROM T, combinado con el modem para SITRANS
TH100/TH200, gracias a su forma compacta, es adecuado para el
equipamiento posterior de puntos de medida o para substituir convertidores
de medida analógicos, entre sus beneficios tenemos los siguientes:
• Convertidor a 2 hilos.
• Montaje en cabezal tipo B (DIN 43729) o mayor, o fijación en perfil.
• Programable; por eso, posibilidad de programar la conexión de
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sensores, el rango de medición etc.
• Variante con seguridad intrínseca para la aplicación en el área EX.
La señal suministrada por una termorresistencia Pt100 se amplifica en la
etapa de entrada. La tensión proporcional a la magnitud de entrada se
digitaliza por medio de un multiplexor en un convertidor analógico-digital. El
microcontrolador realiza la conversión de la señal en función de la
característica del sensor y de otros parámetros (rango de medición,
amortiguación, temperatura ambiente, etc.).
La señal preparada se transforma en una corriente continua de 4 a 20 mA
independiente de la carga en un convertidor digital-analógico. Los circuitos
de entrada y salida están protegidos cada uno por un filtro CEM contra las
interferencias electromagnéticas.
Gráfico 14. Sensor Sitrans P Compact.
Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012).
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1.1.2.2 CONVERTIDOR SITRANS TW
El convertidor SITRANS TW es el resultado del perfeccionamiento del
prototipo SITRANS T para el sistema a 4 hilos en la caja de perfil soporte.
Con muchas funciones nuevas, este tipo marca nuevas pautas en el sector
de los convertidores de temperatura. Gracias a sus funciones de diagnostico
y simulación, el SITRANS TW proporciona todas las informaciones
necesarias durante la puesta en servicio y el funcionamiento, posee
diferentes características mencionadas a continuación:
• Transmisor de medida en conexión a 4 hilos con interfaz HART.
• Caja para la fijación de perfil DIN de 35 mm o perfil G de 32mm.
• Conectores de tornillo enchufables.
• Aislamiento galvánico entre todos los circuitos.
• Señal de salida: 0/4...20 mA o 0/2…10V.
• Variantes de las fuentes de alimentación: 115/230 V UC o 24 V UC
• Protección contra explosión para la medición con sensores en la
zonas de riesgo
• Característica lineal para todos los sensores de temperatura.
• Características personalizables.
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• Corrección automática del cero y del alcance.
• Vigilancia del sensor y de su cable de conexión para detectar
roturas y cortocircuitos.
• Fallo de sensor y/o valor límite, indicable a través de un señalizador
de límite/fallo de sensor (opcional).
• Protección de escritura hardware para la comunicación HART.
• Funciones de diagnóstico.
• Función de puntero de arrastre
• SIL1.
El SITRANS TW es adaptable cómodamente a cualquier tarea de
medición a través de su interfaz HART con el software SIMATIC PDM,
además está diseñado para la conexión a los siguientes tipos de sensores y
fuentes de señales:
• Termorresistencia.
• Termopares.
• Emisores de resistencia/Potenciómetros.
• Emisores de mV.
• Emisor de V.
• Fuentes de corriente.
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Gráfico 15. Sensor Sitrans TW. Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012).
La señal de medida procedente de un emisor de resistencia, de tensión,
de corriente o un termopar, se digitaliza en un convertidor analógico-digital, la
cual se evalúa en un microcontrolador, se corrige de acuerdo a la
característica del sensor, en el convertidor digital-analógico, se transforma en
una corriente (0/4…20 mA) o en una tensión de salida (0/2...10 V). Las
características del sensor, los datos de electrónica y los datos que son
necesarios para la parametrizacion se almacenan en una memoria no volátil.
Para la alimentación auxiliar puede utilizarse corriente continua o alterna .
El rectificador en puente que viene incluido en la fuente de alimentación
permite cualquier conexión de la alimentación auxiliar. Por motivos de
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seguridad se requiere un conductor de protección. Un modem HART o un
comunicador HART permiten parametrizar el convertidor, usando un
protocolo conforme a la especificación HART. A través de los bornes de
salida HART hay la posibilidad de parametrizar el convertidor directamente
en el punto de medida.
El indicador de funcionamiento señaliza el funcionamiento normal o
averiado del convertidor. Un señalizador de límite permite indicar los fallos
del sensor y/o las transgresiones de los valores límite mínimo o máximo. La
hembrilla de prueba permite controlar la corriente con un instrumento de
medida en caso de una salida de corriente.
Gráfico 16. Diagrama de función sensor Sitrans TW.
Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012).
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1.1.2.3 TERMORRESISTENCIA CON SISTEMA DE INSERCIÓN
Esta resistencia posee sistema clamp-on para la medida de temperatura,
el cual se utiliza para la vigilancia de la temperatura y el control de procesos,
en primer lugar en el sector de las industrias alimenticias y farmacéuticas y,
en particular, en aplicaciones asépticas. Con este sistema se evita abrir la
tubería durante el montaje, costos elevados de montaje y optimización de las
uniones soldadas, perturbación del flujo y problemas de higiene, a
continuación se muestran algunos de sus beneficios.
• Unidad de medida intercambiable.
• Todas las señales de salida habituales.
• Versiones Ex con seguridad intrínseca.
• Diseño higiénico según EHEDG.
• De reacción rápida y precisa.
• Medición de temperatura sin ángulo muerto, sin remolinos.
• Influencias de temperatura ambiente desacoplados, desviación de
medida aprox. 0,2 %/10K.
• Permite recalibración.
• Reducción de los gastos de instalación y funcionamiento. Sin
soldaduras, fácil desmontaje para la recalibración.
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Gráfico 17. Termorresistencia con sistema de inserción.
Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012).
La medición de temperatura se realiza a través de un elemento de medida
PT100 modificado, de respuesta rápida, el cual es posicionado y aislado por
medio de un manguito de tubo de plástico termorresistente. La unidad de
medida incluye un sensor de temperatura especial de plata que es apretado
uniformemente por un muelle sobre la tubería, la guía forzada de la unidad
de medida intercambiable garantiza asiento permanente en la tubería,
proporcionando un resultado de medida reproducible.
El aparato suministra en directo la señal de sensor PT100 o, en el caso de
la versión con cabezal para el montaje de transmisor, también suministra
señales estándar de 4 a 20 mA, HART, PROFIBUS PA y FOUNDATION
FIELDBUS. De esta forma es fácilmente integrable en el concepto existente
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de los aparatos.
Para la correcta selección de los aparatos es necesario conocer el
diámetro del tubo de medida. En el caso de los tamaños especiales se
selecciona primero el tamaño de manguito adecuado, especificando en texto
el tamaño deseado. Opcionalmente se ofrecen versiones compactadas
(versión de estribo) para condiciones de montaje con espacio reducido.
La señal de salida deseada es elegible según las diferentes opciones, el
pasa cables para la caja de acero inoxidable puede ser diferente de la
variante estándar. La gama incluye además diversas versiones con
seguridad intrínseca para la protección contra explosiones según ATEX,
tanto para gases como para avientes con polvo. Para facilitar la correcta
asignación después de recalibraciones, tanto el manguito como la unidad de
medida se identifican con el número de serie y el diámetro del tubo.
Gráfico 18. Diagrama de partes termorresistencia con sistema de
inserción. Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012).
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1.1.2.4 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS SENSORES DE
TEMPERATURA
En el siguiente cuadro se muestran una serie de comparaciones entre los
diferentes tipos de sensores de temperatura Siemens descritos
anteriormente, con el fin de elegir el adecuado para realizar el diseño de un
sistema de monitoreo y control para la empaquetadora de leche Gibica S.A.
Cuadro 7 Comparación de sensores de temperatura
Sensor
Campo de aplicación
Modo de operación
Entrada y Salida
Convertidor Sitrans TH100
Medición de temperatura con
termorresistencia Pt 100
Amplifica la señal proporcionada por
una termorresistencia,
para luego convertirla de
analógica a digital.
Entrada aproximada de 0.4 mA, salida de
4 a 20 mA.
Convertidor Sitrans TW
Medición de
temperatura con termorresistencia,
termopares, potenciómetro,
emisores de mV, fuentes de corriente.
Amplifica la señal proporcionada por
una termorresistencia,
para luego convertirla de
analógica a digital
Entrada de -120mV a +1000 mV, salida de 4 a 20mA, o de 0 a
10 mV.
Termorresistencia con sistema de
inserción
Es utilizado en el
sector de las industrias alimenticias y farmacéuticas y, en
particular, en aplicaciones asépticas.
Convierte la señal física de
temperatura a señal eléctrica.
Entrada -40ºC +150ºC salida de 4 a
20 ma.
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Para el diseño de un sistema de monitoreo y control del proceso de
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empacado de leche en polvo en la planta Gibica S.A se hace necesaria la
utilización de una termorresistencia con sistema de inserción ya que este
cumple con las normas y requerimientos sanitarios para ser utilizado en la
industria alimenticia.
1.1.3 SENSORES DE NIVEL
Según Harper (2012 p176) “Los sensores de nivel se usan para
determinar la cantidad de producto que se tiene en los tanques de
almacenamiento o los tanques de procesamiento”. Con el fin de medir la
cantidad de leche en polvo en las dos tolvas presentes en la planta, se hace
necesaria la selección de un sensor de nivel dentro de la gama de productos
de siemens.
1.1.3.1 POINTEK CLS100
El interruptor de nivel capacitivo de frecuencia inversa Pointek CLS100
con conexión a 2 hilos es una solución compacta para la detección de nivel
de interfaces, materiales sólidos a granel, líquidos, lodos y espuma en
espacios limitados. El Pointek CLS100 destaca por su sonda de cota
medición (200m3) y alta versatilidad para una amplia gama de aplicaciones
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en depósitos o tuberías, algunos de sus beneficios se enumeran a
continuación.
• Fácil instalación, verificación por indicadores LED.
• Bajo mantenimiento sin partes móviles.
• Ajuste de la sensibilidad.
• Versión de cable o de caja PBT.
• Opciones: versión intrínsecamente segura, para atmosferas
potencialmente explosivas con polvo, y para uso general.
• Posibilidad de medir hasta 200mm3.
El Pointek CLS100 está disponible en tres versiones, la versión de cable
incorpora una conexión al proceso de acero inoxidable y sondas PPS o
PVDF. La versión de material sintético incorpora la caja de poliéster
termoplástico, la conexión al proceso de PPS y la sonda de PPS. La versión
estándar incorpora la caja de poliéster termoplástico, la conexión al proceso
de acero inoxidable y la sonda PPS o PVDF, son usados principalmente para
mediciones de nivel en líquidos, lodos, polvos, granulados, productos
farmacéuticos y químicos, alimentos y zonas de peligro.
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Gráfico 19. Sensor Pointek CLS100.
Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012).
1.1.3.2 SITRANS LVL 100. El SITRANS LVL 100 es un detector de nivel compacto diseñado para el
empleo industrial en todas las ramas de la ingeniería de procesos, también
cumplen funciones de interruptor de nivel vibratorio para aplicaciones típicas
de protección contra sobrellenado, detección de nivel máximo/mínimo o
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ajuste específico, protección de bombas. Idóneo para espacios confinados ya
que posee una longitud de inserción de solo 40mm, consta de tecnología
para detención de nivel de líquidos, monitorea continuamente criterios de
corrosión o deterioro de la horquilla, además de poseer función de velicación
que permite controlar el funcionamiento.
El SITRANS LVL 100 funciona fiablemente incluso en tubos pequeños y
espacios limitados, puede emplearse casi independientemente de las
propiedades químico-físicas del líquido, además de trabajar en condiciones
difíciles de medición tales como turbulencias, burbujas de aire, formación de
espuma o incrustaciones, es insensible a fuertes vibraciones ajenas. Este
sensor es apropiado para la detección de líquidos y lodos, medición de nivel,
protección contra sobrellenado marcha en seco.
El elemento vibratorio (horquilla vibratoria) es accionado de forma
piezoeléctrica y oscila con una frecuencia mecánica de resonancia de aprox.
1200 Hz. Si el elemento vibratorio se cubre de producto almacenado, cambia
la frecuencia de vibración, este cambio es captado por la pieza electrónica
integrada y convertido en una instrucción, la electrónica integrada controla la
señal de nivel y proporciona una señal de conmutación para accionar los
parámetros externos.
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Gráfico 20. Sitrans LVL 100. Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012).
1.1.3.3 SITRANS LPS 200
El SITRANS LPS 200 es un interruptor de nivel de paletas rotativo para
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polvos o material granulado, las paletas rotativas se utilizan en la detección
del nivel lleno, vacío o límite en productos a granel: granos, cemento, plástico
y madera, el interruptor controla con seguridad productos con densidades de
15 g/f con una paleta estándar, algunos de sus beneficios se enumeran a
continuación:
• Sello mecánico altamente resistente.
• Alimentación seleccionable por conmutador opcional.
• Mecanismo exclusivo de acoplamiento de fricción, evita daños por
caídas de material.
• Caja girable, de fácil conexión.
• Paletas de dimensiones reducidas para una instalación simplificada
gracias a la conexión mecánica.
• Versión para altas temperaturas y kit opcional de extensión.
Un motor de engranajes de baja resolución maneja una paleta rotativa,
cuando el llenado alcanza la paleta de rotación se obstaculiza y se detiene,
esto provoca el cierre del contacto micro- interruptor, si el nivel baja la paleta
rotativa se libera y el micro-interruptor vuelve a su posición original, si el
material obstaculiza la rotación de la paleta, el torque de reacción hace
operar un micro-interruptor que genera una señal eléctrica para parar el
motor, la disminución del nivel de material libera la paleta rotativa, y el motor
vuelve a su posición original mediante un resorte.
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Gráfico 21. Sitrans LPS 200.
Fuente: Catálogo Siemens FI 01 (2012).
1.1.3.4 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS SENSORES DE
NIVEL
En el siguiente cuadro se muestran una serie de comparaciones entre los
diferentes tipos de sensores de nivel de Siemens descritos anteriormente,
con el fin de elegir el adecuado para realizar el diseño de un sistema de
monitoreo y control para la empaquetadora de leche Gibica S.A.
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Cuadro 8 Comparación de sensores de nivel
Sensor
Campo de aplicación
Modo de operación
Salida
POINTEK CLS100
Es utilizado en la
detección de nivel de interfaces,
materiales sólidos a granel, líquidos,
lodos y espuma en espacios limitados
Posee un funcionamiento sencillo a través leds que indican cuando el sensor detecta alto y bajo nivel
Conexión a dos hilos 4/20 mA,ó
20/4 mA
SITRANS LVL 100
Funciona fiablemente incluso
en tubos pequeños y espacios limitados, es independiente a
las propiedades químico-físicas del
líquido,
Consta de un elemento
vibratorio el cual oscila con una frecuencia 1200 Hz. Si el elemento vi bratorio se cubre
de producto almacenado, cambia la frecuencia de
vibración, este cambio es captado por la pieza
electrónica integrada y convertido en una
instrucción.
Conexión a dos hilos 4/20 mA,ó
5/10 VDC.
SITRANS LPS 200
Granos, alimentos, cemento, gránulos
de plástico, astillas o virutas de madera, arroz, semillas de
soja.
Consta de una paleta rotativa
por un motor el cual al detectar la presencia de un material acciona un micro-
interruptor
Conexión de 2 hilos de 4 a 20
mA
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Para el diseño de un sistema de monitoreo y control del proceso de
empacado de leche en polvo en la planta Gibica S.A se hace necesaria la
utilización del sensor de nivel Sitrans LPS200 ya que este puede ser utilizado
en la industria alimenticia gracias a su estructura, además consta de una
salida de 4 a 20 mA la cual es necesaria para la detección del controlador
83
lógico programable.
1.1.4 DIAGRAMA DE FLUJO
Para diseñar un sistema automatizado para el control de procesos en la
planta Gibica S.A es necesaria la implementación de un diagrama de flujo, en
el cual se indican los parámetros a seguir por el software del controlador
lógico programable (PLC), como se muestra en la imagen, luego que el PLC
es configurado, su tarea principal es monitorear o recibir constante los datos
provenientes de los sensores de temperatura, velocidad y nivel ubicados en
la planta.
En el campo existen cinco sensores que se encuentran distribuidos de la
siguiente manera:
• Un sensor de velocidad ubicado uno en cada tornillo sin fin.
• Un sensor de nivel para cada tolva.
• Un sensor de temperatura existente en el área de empaquetado.
Según sea la lectura del PLC en cada sensor, este realizará una
respuesta determinada. Luego de realizar el monitoreo de todos los
sensores, el PLC procede a leer la velocidad dada por el sensor que se
encuentra en el motor del tornillo sin fin 1, si la misma es mayor a 5000 RPM,
se procede a mostrar una alerta tanto en la pantalla del HMI como en el
campo, además de enviarle al usuario la opción de detener el proceso.
En el caso que la velocidad en el tornillo sin fin 1 sea menor a 5000 RPM,
84
se procede a la lectura del sensor de nivel en la tolva número 1, si dicho nivel
es mayor o igual a 100m3 se mostrará una alerta de alto nivel tanto en el
SCADA como en el campo, seguido a esto el PLC le permitirá al usuario
controlar la apertura de las válvulas ubicadas en la tolva, en el caso de que el
nivel sea menor a 100m3 se mostrará una alerta de bajo nivel, además de
permitirle al usuario cerrar o abrir las válvulas.
En caso de que el nivel en la tolva 1 sea mayor 10m3 y menor a 100m3, se
procede a obtener los valores del sensor de nivel de la tolva 2. En esta etapa
el PLC realizará tareas semejantes al proceso anterior, tomando en cuenta
que tanto las alertas como el control de las válvulas serán dirigidos al control
y monitoreo de la tolva 2.
Al terminar las tareas anteriores el PLC se encarga de leer los valores de
velocidad obtenidos en el sensor del motor del tornillo sin fin 2. Si es mayor a
5000 RPM, se mostrará una alerta de error del motor, tanto en pantalla como
en el campo, además de darle la posibilidad al usuario de detener el proceso.
En el caso de que la velocidad sea menor a 5000 RPM, se procede a
obtener los datos del sensor de temperatura ubicado en el área de
empacado, si esta es mayor o igual a 60ºC se mostrará una alerta de alta
temperatura tanto en el SCADA como en el campo, permitiendo además que
el operador pueda parar el proceso, en caso de que la temperatura sea
menor el PLC procede a almacenar y mostrar en pantalla los datos obtenidos
a través de los sensores, para luego reiniciar el ciclo.
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Gráfico 22. Diagrama de flujo
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
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Gráfico 23. Diagrama de flujo
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
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1.2 PRESENTACIÓN DE LA PROPUESTA.
FASE IV: VERIFICACIÓN DEL DISEÑO.
En esta fase se describe cómo está comprendida la configuración del
hard ware del proceso de empacado de leche de la planta Gibica S.A.
Primeramente se tienen los sensores de nivel, los cuales son tres (3) en total,
el primero de ellos ubicado en el tanque número uno donde es vertida la
leche en polvo , y los otros dos restantes, uno en cada una de las dos tolvas
que la almacenan respectivamente.
Estos sensores de nivel son tipo paleta rotativo para polvos o material
granulado; las paletas rotativas se utilizan en la detección del nivel lleno,
vacío o límite en el producto.
Para este trabajo fue elegido el modelo SITRAM LPS 200, el cual ofrece
la mejor calidad y a más bajo costo, lo cual hace que el proceso sea más
accesible a la empresa. Estos sensores están conectados mediante un cable
bifilar utilizado para la conexión as-interface, los cuales van desde el
transmisor de nivel hasta el pane l de control, donde se encuentra ubicado el
PLC, el cable de as-interface va directamente a un contactor o relé , y luego a
la tarjeta de entradas analógicas del PLC. En caso de averías existen
sistemas que actúan por subidas de tensión o corriente, tal como se muestra
en la gráfico 24.
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Gráfico 24. Diagrama de conexión eléctrica del sensor de nivel
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Seguidamente se tienen los sensores de velocidad, combinados con una
báscula de cinta. El SITRANS WS100 emite señales al transmisor Milltronics
BW100/BW500 o módulo SIWAREX FTC, el cual es uno de los más
utilizados a nivel de procesos de materia prima. Se consideró como la mejor
opción en la realización de este proyecto dado el bajo costo y alta calidad. El
transmisor conectado a este sensor, está conectado al igual que el de nivel,
mediante el cable correspondiente al as-interface mencionado anteriormente,
el cual se encuentra también conectado a un contactor y de ahí a la tarjeta
analógica del PLC, por seguridad a cualquier avería o error que pueda existir
en el proceso y pueda ocasionar daños en la tarjeta analógica y el PLC. En el
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gráfico 25 se muestra la conexión del transmisor con el PLC, o el panel de
control.
Gráfico 25. Diagrama de conexión eléctrica del sensor de velocidad
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Finalmente se tiene el sensor de temperatura, ubicado en la parte final de
la línea de producción, para esto fue elegido el Convertidor Sitrans TH100 el
cual está conectado a una PT100. Este convertidor, capta la medición de la
PT100, y envía al PLV una señal de salida de 4 a 20mA, al igual que los
sensores anteriores, este convertidor está conectado mediante la as-
Interface al panel de control, siguiendo la configuración anterior, primero a un
contactor o relé y luego la tarjeta analógica del PLC. Las conexiones pueden
observarse en el gráfico 26.
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Gráfico 26. Diagrama de conexión eléctrica del sensor de temperatura
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014). FASE V: ARMADO DE PROTOTIPOS DE CIRCUITOS DIGITALES.
Luego de haber realizado las tareas anteriores, se procede al armado del
prototipo o simulación, por lo tanto en esta fase es donde se inicia con el
diseño de la pantalla que servirá como interfaz humano/máquina en el
proceso de empacado de leche en polvo en la planta GIBICA S.A, dicha
pantalla consta de diferentes secciones o partes explicadas a continuación.
En el gráfico 27 se muestra a través del lenguaje de contactos, el cual
mediante símbolos representa contactos, bobinas, su principal ventaja es
que los símbolos básicos están normalizados según el estándar IEC y son
empleados por todos los fabricantes, en dicho grá fico se encuentra la
conexión existente entre el PLC y el PC/PG necesaria para la puesta en
funcionamiento del sistema de control y monitoreo del empacado de leche en
polvo, mientras que en la ventana mostrada en el gráfico 28 se presenta el
tipo de conexión utilizado para el software Wincc Siemens.
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Gráfico 27. Conexión HMI - PLC Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Gráfico 28. Conexión HMI
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
La ventana principal del sistema ubicada en el gráfico 29, consta de
diferentes partes, en la zona superior se encuentra el nombre con el que se
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designó al archivo , asimismo la esquina superior izquierda se ubica una
alerta de “INICIO DEL PROCESO”, mientras que en la esquina superior
derecha es posible visualizar algunos botones de operación del sistema así
como la hora y fecha en tiempo real en la que se basa el sistema para
generar la base de datos de las variables al igual que un botón que es
utilizado para regresar a la configuración del sistema denominado ”ATRÁS”.
Dentro de la interfaz gráfica se encuentra un botón de “INICIO” y un botón
de “STOP” ubicados uno debajo del otro en la esquina inferior izquierda,
dichos botones son utilizados con el fin de operar el sistema de tal manera
que, al presionar “INICIO” éste enviará un comando que permitirá la puesta
en funcionamiento del proceso y a su vez activará la visualización de
cualquier alarma o aviso, mientras que por el contrario al presionar “STOP” el
sistema dejará de realizar cualquier acción ya sea la visualización o control a
través del envío de comandos al PLC.
En la interfaz se visualiza un cuadro gráfico ubicado a la derecha del
mismo, el cual indica el comportamiento de cada una de las variables que se
manejan en el proceso, ya sea subidas o bajadas de velocidad, nivel o
temperatura, lo cual permite comparar el comportamiento del sistema en un
lapso determinado de tiempo.
Al iniciar el proceso se visualizarán dos (2) bombas y tres (3) válvulas de
color verde, esto indica que los mismos están ejerciendo su función, en caso
de que exista alguna falla en ellas y se encuentre limitado su funcionamiento,
la representación gráfica de estos equipos se mostrará en color rojo .
En la ventana también se observan seis (6) visualizadores que indican el
porcentaje de las variables, en el siguiente orden:
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• 3 visualizadores para nivel.
• 2 visualizadores para velocidad.
• 1 visualizador para temperatura .
Todos en porcentaje que varían en un rango de 0% a 100%.
Gráfico 29. Ventana Principal del HMI
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
En los gráficos siguientes se muestra las alarmas que se podrían
presentar en el sistema, uno de estos casos se pueden evidenciar en el
gráfico 30 donde se observa una alarma de alto nivel en el tanque crudo,
mediante una barra de color rojo en dicho tanque mientras que en la parte
superior se visualiza el lugar donde ocurrió la falla y el tipo de alarma que se
está presentando en el momento. Ésta alarma indica que ya el tanque de
crudo llegó a su máximo nivel y deben activarse los motores al igual que las
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empaquetadoras.
Gráfico 30. Alto Nivel Tanque de Crudo
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Por otra parte en el siguiente gráfico 31 se muestra una alarma de alto
nivel sombreada en color rojo, indicando que existe alto nivel en la tolva 1, al
igual que en la alarma anterior en dicha tolva se muestra una barra de color
rojo que advierte un nivel alto, al activarse la alarma el PLC permitirá a el
operador manipular las válvulas de dicha tolva .
Mientras que en la gráfica 32 se visualiza una falla en uno de los motores
de la planta, en la parte superior se muestra la descripción de lo que sucede,
“ERROR MOTOR SIN FIN”, cambiando a color rojo el icono del equipo que
presenta el error, indicando que tiene una falla y deteniendo el proceso de
forma permanente hasta que el operador verifique el funcionamiento de dicho
motor.
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Gráfico 31. Alto Nivel Tolva 1
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
Gráfico 32. Error Motor
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
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En la gráfica 33 se muestra una alarma de “ALTA TEMPERATURA
EMPACADO”, ésta alarma indica una alta temperatura en el proceso de
empacado, cerrando así las válvulas de descarga cambiando a color azul
como aviso, indicando que hay un error en las empaquetadoras, al igual que
en las fallas en los motores el proceso es detenido hasta que el operador
verifique en el campo dicha alarma. Por último en el gráfico 34 se muestra el
runtime del PLC virtual con el cual se realiza la simulación, con el fin de
analizar los resultados del sistema
Gráfico 33. Alta Temperatura Empacado
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
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Gráfico 34. Simulación en RUNTIME
Fuente: Chaparro, González y Guerra (2014).
DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
Mediante la metodología de Savant (2000), la observación directa y la
aplicación de un cuestionario a los empleados, se logró definir la situación
actual de la planta GIBICA, S.A, luego de esto se procedió a realizar
diferentes diagramas que servirían de documentación para el diseño del
prototipo, a partir de allí se utilizó un software que sirvió de soporte para la
realización del diseño de una interfaz humano/máquina, además permitió
establecer las conexiones de los sensores al controlador lógico programable.
Al terminar de realizar las fases anteriores se procedió a la verificación del
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diseño, lo cual permitió asegurar que es posible la implementación de un
sistema de control y monitoreo en la empaquetadora GIBICA, S.A, facilitando
así la detención de fallas evitando el paro de la producción.
