DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN PARA EL …
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UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN PARA EL DESARROLLO DE PRÁCTICAS Y PROYECTOS EN EL ÁREA DE AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL, UTILIZANDO CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC) PARA EL LABORATORIO DE CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE LA UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA Br. Henriques, Evaristo C.I: 17.744.719 Br. Alfaro, Alfred C.I: 19.044.042 Tutor: Ing. Marin Washington. M C.I: 18.602.258 Enero, 2011 Caracas, Venezuela
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UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE ELECTRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN PARA EL DESARROLLO
DE PRÁCTICAS Y PROYECTOS EN EL ÁREA DE AUTOMATIZACIÓN Y
CONTROL INDUSTRIAL, UTILIZANDO CONTROLADORES LÓGICOS
PROGRAMABLES (PLC) PARA EL LABORATORIO DE CONTROL E
INSTRUMENTACIÓN DE LA UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
Br. Henriques, Evaristo
C.I: 17.744.719
Br. Alfaro, Alfred
C.I: 19.044.042
Tutor:
Ing. Marin Washington. M
C.I: 18.602.258
Enero, 2011
Caracas, Venezuela
II
UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE ELECTRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN PARA EL DESARROLLO
DE PRÁCTICAS Y PROYECTOS EN EL ÁREA DE AUTOMATIZACIÓN Y
CONTROL INDUSTRIAL, UTILIZANDO CONTROLADORES LÓGICOS
PROGRAMABLES (PLC) PARA EL LABORATORIO DE CONTROL E
INSTRUMENTACIÓN DE LA UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA
JURADO: JURADO:
______________________ ______________________
Nombre y Apellido Nombre y Apellido
______________________ ______________________
Cédula de Identidad Cédula de Identidad
______________________ ______________________
Firma Firma
Enero, 2011
Caracas, Venezuela
III
AGRADECIMIENTOS
A Dios por ayudarme a salir de los momentos difíciles en mi vida y guiarme
en buen camino.
A mi madre y mi padre por darme todo su apoyo en todos los momentos de
mi vida, al guiarme en los momentos que pensé que perdí el camino y por confiar
en mí. Gracias por estar siempre ahí.
A mis hermanas por siempre estar ahí, por darme sus consejos y apoyarme
en todos los momentos importantes de mi vida.
A mi sobrina Camila Victoria, que ha sido como mi hija y me ha llenado de
felicidad Dios te bendiga.
A la persona que siempre ha estado en cualquier momento para brindarme
su apoyo y por darme todo su amor. Te amo Karla Villegas.
A Alfred, por haberme permitido ser su compañero de tesis y por brindarme
todo su apoyo incondicional.
Al Ing. Mauricio Marín, por su apoyo y aceptación tutorial para el desarrollo
de este proyecto.
A todos los profesores y amigos que han estado en todos los momentos de
mi vida, gracias a ellos hoy soy quien soy. Gracias por su apoyo.
Evaristo Henriques.
IV
A Dios por ayudarme y darme la fuerza necesaria para salir adelante en
todo momento.
A mis padres por de una forma u otra siempre estar ahí y darme toda su
ayuda por haberme hecho un hombre de bien y guiarme por un buen camino
gracias.
A mi esposa y a mi hija que son una gran parte de mi vida y en todos
momentos me han dado su apoyo y su amor incondicional.
A mi compañero de Trabajo de Grado Evaristo Henriques, por haberme
permitido ser su compañero y por ayudarme al máximo y por brindarme todo su
apoyo incondicional.
Al Ing. Mauricio Marín, por su aceptación tutorial de este proyecto.
Alfred Alfaro.
V
DEDICATORIA
A mi madre y padre por apoyarme en mi formación como persona y como
profesional, a mis hermanas por estar en todos los momentos en mi vida. A la
persona que más amo en esta vida, a Karla Villegas por apoyarme en todos los
momentos de mi vida. Y a mi sobrina Camila Victoria por llenarme de amor.
Evaristo Henriques.
A mis padres por siempre ofrecerme su apoyo, a mi hija que es mi razón de
vivir y de superarme cada día más.
Alfred Alfaro.
VI
Universidad Nueva Esparta
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Electrónica
Título: Diseño e implementación de una estación para el desarrollo de prácticas y
proyectos en el área de automatización y control industrial, utilizando
Controladores Lógicos Programables (PLC) para el Laboratorio de Control e
Instrumentación de la Universidad Nueva Esparta.
Autores: Br. Alfaro, Alfred C.I: 19.044.042
Br. Henriques, Evaristo C.I: 17.744.719
Tutor: Ing. Marín Washington. M. C.I: 18.602.258
RESUMEN
Palabras Claves: Sistema de control, PLC, Automatización, Sensores, Procesos.
Resumen: En este Trabajo de Grado se presenta el diseño e implementación de
una estación para las prácticas en el área de instrumentación industrial de la
Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta. La Estación
desarrollada está conformada por un PLC (Controladores Lógicos Programables)
de la serie S7 – 200, CPU 224 SIEMENS, la cual se encargará de controlar todo
el proceso de llenado y vaciado de tres tanques de almacenamientos, encendido
y apagado de las bombas, del control de los sensores de nivel de tipo conductivo,
del encendido y apagado de la estación y todo lo referente a la seguridad de la
estación. Para la elección de los instrumentos se baso en la funcionalidad,
compactibilidad, costo y existencia en el mercado venezolano. La programación
del PLC se utilizo el lenguaje LADDER que se basa en programación mediante
contacto, es uno de los programadores más fácil de observar el estado del
proceso.
VII
Nueva Esparta University
Engineering Faculty
Electronic Engineering School
Title: Design and implementation of a station for the development of practices and
projects in the area of industrial automation and control, using programmable logic
controllers (PLC) for the Control and Instrumentation Laboratory at the University
of Nueva Esparta.
Authors: Br. Alfaro, Alfred C.I: 19.044.042
Br. Henriques, Evaristo C.I: 17.744.719
Tutor: Ing. Marin Washimston. M. C.I: 18.602.258
SUMMARY
Keywords: Control system, PLC, Automation, Sensors, Process.
Summary: In this degree working presents the design and implementation of a
station for practices in the field of industrial instrumentation in the School of
Electrical Engineering from the Nueva Esparta University. The station developed
consists of a PLC (Programmable Logic Controllers) of the S7 - 200, SIEMENS
224 CPU, which is responsible for supervising the entire process of filling and
emptying of three storage tanks, on and off of pumps, control sensors Conductive
level of on and off the station and everything related to the safety of the station.
For the choice of instruments was based on functionality, compactness, cost and
life in the Venezuelan market. PLC programming language was used which is
based LADDER programming via touch, is one of the most easy to observe the
state of the process.
VIII
INDICE
AGRADECIMIENTOS III
DEDICATORIA V
RESUMEN DE TRABAJO DE GRADO VI
DEGREE SUMMARY VII
INDICE GENERAL VIII
INDICE DE FIGURAS XI
INDICE DE TABLAS XII
INDICE DE FORMULAS XII
INDICE DE ANEXOS XII
INTRODUCCIÒN 13
CAPÌTULO I
1. El Problema 15
1.1 Planteamiento del Problema 15
1.2 Objetivos de la Investigación 16
1.2.1 Objetivo General 16
1.2.2 Objetivos Específicos 16
1.3 Justificación de la Investigación 17
1.4 Delimitación 18
1.4.1 Delimitaciones Temporales 18
1.4.2 Delimitaciones Geográficas 19
1.4.3 Delimitaciones Técnicas 19
1.5 Limitaciones 19
CAPÌTULO II
2. Marco Teórico 21
2.1 Antecedentes 21
2.2 Bases Teóricas 22
IX
2.2.1 Sistema de control 22
2.2.1.1 Sistema de control a lazo abierto 23
2.2.1.2 Sistema de control a lazo cerrado 24
2.2.2 Automatización 25
2.2.3 Controladores lógicos programables (PLC) 25
2.2.3.1 Estructura 27
2.2.3.2 Área de aplicación 29
2.2.3.3 Ventajas e Inconvenientes 30
2.2.3.4 Características principales del PLC 31
2.2.3.5 Clasificación de los PLC 31
2.2.3.6 Programación del PLC 32
2.2.4 Fuente de alimentación LOGO!Power 24V/4A 34
2.2.5Tanque de almacenamiento 34
2.2.6 Bombas 35
2.2.7 Sensores 35
2.2.7.1 Descripción de algunos sensores 35
2.2.7.1.1 Sensores de posición 35
2.2.7.1.2 Captadores fotoeléctricos 36
2.2.7.1.3 Captadores de barrera y de reflexión 36
2.2.7.1.4 Sensores de contacto 36
2.2.7.1.5 Sensores ultrasónicos 37
2.2.7.1.6 Sensores de presión 37
2.2.7.1.7 Sensores de nivel 38
2.2.7.1.8 sensores de temperatura 38
2.2.7.1.9 Sensores de flujo 38
2.2.8 Medidores de nivel de líquidos 39
2.2.8.1 Instrumentos basados en características eléctricas de líquido___ 39
2.2.8.1.1 Medidor de nivel conductivo 39
2.2.8.1.2 Medidor de nivel de capacidad 40
2.2.8.1.3 Sistema ultrasónico de medición de nivel 41
2.2.8.1.4 Medidor de nivel laser 41
X
2.2.9 Cable eléctrico 42
2.2.10 Fusible 43
2.2.11 Términos básicos 44
2.2.12 Cuadro de variables 46
CAPÌTULO III
3. Marco metodológico 49
3.1Tipo de la investigación 49
3.2 Diseño de la investigación 50
3.3 Población y Muestra 51
3.4 Técnicas e instrumentos de recolección de datos 53
3.5 Técnicas de procedimiento y análisis de datos 54
3.6 Datos recolectados 54
3.7 Tabla de doble entrada para analizar los datos obtenidos 55
3.8 Cuestionario 56
CAPÌTULO IV
4. Sistema Propuesto 61
4.1Diagrama de bloques 61
4.1.1 Bloque de entradas 61
4.1.2 Bloque de salidas 65
4.2 Diagrama de interconexión del sistema 72
4.3 Desarrollo técnico 74
4.4 Interfaz Humano-Máquina 76
4.5 Cable de programación S7-200 79
4.6 Prácticas propuestas 81
CONCLUSIONES 92
RECOMENDACIONES 94
REFERENCIAS BIBLIOGRÀFICAS 95
REFERENCIAS ELECTRÓNICAS 97
ANEXOS 100
XI
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Sistema de control básico 23
Figura 2. Sistema de control a lazo abierto 24
Figura 3. Sistema de control a lazo cerrado 25
Figura 4. PLC SIEMENS S7-200 CPU 224 27
Figura 5. LOGO!Power 24V/4A 34
Figura 6. Medidor de nivel de capacidad 40
Figura 7. Medidor de nivel laser 42
Figura 8. Cable electrónico 43
Figura 9. Fusible 43
Figura 10. Grafico de torta de pregunta 1 56
Figura 11. Grafico de torta de pregunta 2 57
Figura 12. Grafico de torta de pregunta 3 58
Figura 13. Grafico de torta de pregunta 4 59
Figura 14. Grafico de torta de pregunta 5 60
Figura 15. Diagrama de bloques 61
Figura 16. Botón de parada de emergencia 62
Figura 17. Diagrama Eléctrico de las Entradas del PLC Siemens 63
Figura 18. Diagrama Eléctrico de las Salidas del PLC Siemens 65
Figura 19. Bomba 67
Figura 20. Diagrama Eléctrico del Controlador de las Bombas 68
Figura 21. Diagrama Eléctrico de la Fuente de Poder LOGO!Power
24V/4A 69
Figura 22. Fuente de poder 70
Figura 23. Diagrama Eléctrico de la Fuente AC 110V a DC 12V 71
Figura 24. Diagrama de interconexión del sistema 72
Figura 25. Interfaz Humano-Máquina 78
Figura 26. Comunicación Siemens 79
Figura 27. Diagrama del Cable de Comunicación Siemens S7-200 80
XII
Figura 28. Repuesta de la práctica 1 sin direccionamiento simbólico 82
Figura 29. Repuesta de la práctica 1 con direccionamiento simbólico 83
Figura 30. Repuesta de la práctica 2 sin direccionamiento simbólico 85
Figura 31. Repuesta de la práctica 2 con direccionamiento simbólico 86
Figura 32. Repuesta de la práctica 3 sin direccionamiento simbólico 88
Figura 33. Repuesta de la práctica 3 con direccionamiento simbólico 90
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Funciones de cada componente del CPU 28
Tabla 2. Principales funciones de los módulos de entrada y salida 29
Tabla 3. Simbología del lenguaje de programación LADDER 33
Tabla 4. Cuadro de Variables 46
Tabla 5. Tabla de doble entrada 55
Tabla 6: Tabla de la Simbología del Diagrama Eléctrico de las Entradas del
PLC Siemens 64
Tabla 7: Tabla de la Simbología del Diagrama Eléctrico de las Salidas del
PLC Siemens 66
INDICE DE FORMULAS
Fórmula 1. Fórmula para estimar la población 52
Fórmula 2. Fórmula para estimar la población y resultado 53
INDICE DE ANEXO
Anexo 1. Modelo de la encuesta 101
Anexo 2. Prototipo de la Estación de Prueba 103
Anexo 3. Constancia de validación del Instrumento 104
13
INTRODUCCION
Los bancos de prueba son equipos industriales que permiten realizar
evaluaciones previas de las condiciones de calidad de una parte de un ensamble.
Los bancos de prueba y control pueden estar automatizados con PLC como
elemento de control.
Es posible utilizar módulos tales como: Entrada y Salida optoaislados,
lectura de frecuencia, generación de frecuencia, conversión A/D y D/A. Con ello
es posible crear aplicaciones con interfaces gráficas amigables para controlar:
Motores paso a paso, leer encoders, generar datos para reporte estadístico,
visualización gráfica del proceso en curso, manejar relays, hacer lecturas
analógicas, conexión con otros dispositivos; entre otras aplicaciones industriales.
Por lo general, es posible encontrar este tipo de equipos en ambientes
industriales. Un PLC es un equipo comúnmente utilizado en maquinarias
industriales de fabricación de plástico, en máquinas de embalajes, entre otras; en
fin, es posible de encontrarlos en todas aquellas maquinarias que necesitan
controlar procesos secuenciales, así como también, en aquellas que realizan
maniobras de instalación, señalización y control. También los Controladores
Lógicos Programables son sistemas certificados internacionalmente para trabajar
en procesos de alto riegos. Junto al avance experimentado por la microelectrónica
en general, se han desarrollado elemento en torno al PLC que incorpora todos los
avances en la tecnología mecánica y electrónica.
El proyecto consiste en el desarrollo y construcción de una estación donde
se podrá simular procesos industriales a escala. Consiste en tres tanques de
almacenamientos en los cuales están distribuidos en dos tanques de igual
capacidad y uno con la suma de la capacidad de los otros dos tanques. El proceso
se basa en simular el llenado y vaciado de tanques mediantes bombas, el PLC es
14
el encargado de controlar esta simulación en el cual recibe información de los
sensores de nivel instalados en cada tanque de almacenamiento.
La estación tendrá un botón de encendido que será accionado
manualmente para el inicio del sistema y un botón de parada de emergencia para
parar la simulación del proceso industrial.
A continuación se describirá cada uno de los capítulos que conforman el
presente trabajo de investigación:
En el Primer Capítulo se expone Planteamiento del Problema, el Objetivo
General y los Objetivos Específicos propuesto de la Investigación, la Justificación,
las Delimitaciones y Limitaciones de la investigación propuesta.
El Segundo Capítulo se expone los Antecedentes de la Investigación, las
Bases Teóricas para sustentar la investigación, Definición de Términos y el
Cuadro de Variables.
En el Tercer Capítulo se señala el Tipo y Diseño de la Investigación,
Población y la Muestra de la Investigación, las Técnicas e Instrumento de
Recolección de Datos y las Técnicas de Procedimiento y Análisis de Datos.
El Cuarto Capítulo está compuesto por el Diagrama en Bloques, Diagrama
de Flujo del Sistema Propuesto y el Desarrollo Técnico.
15
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La utilización del PLC es imprescindible en todos los sistemas de control y
automatización de todo tipo de procesos industriales para obtener el beneficio de
calidad, eficiencia, aumento de cantidad y al mismo tiempo reducir los costos y
factores de riesgo del proceso de control. El PLC es un dispositivo capaz de
permitir cambios en su software para adaptarse a cualquier requerimiento en el
proceso de control.
El problema que se presenta actualmente en la Escuela de Electrónica de la
Universidad Nueva Esparta es que los equipos del laboratorio de Control que
poseen en sus instalaciones están obsoletos, como es el caso de los PLC que se
encuentran inoperables y por lo cual solo se pueden simular mediante un
computador. Los laboratorios al no cubrir con las necesidades de algunas cátedras
de la carrera de Ingeniería Electrónica como son: Ingeniería Industrial, Electrónica
Industrial, Técnica de Instrumentación y Computación X (PLC), los profesores sólo
le pueden dictar a sus alumnos una educación teórica y no práctica. La principal
desventaja de este modelo de enseñanza es que el estudiante cuando aplique sus
conocimientos en el área laboral no van a desempeñarse un 100%, por recibir una
educación teórica y no llevar esa teoría a la práctica.
Para resolver esta situación problemática se ha propuesto el desarrollo de un
nuevo laboratorio de instrumentación y control el cual contendrá modelos de
estaciones de distintos procesos industriales que le permitirá a la Universidad
Nueva Esparta dar de una manera práctica las clases para poder complementar la
teoría de las materias y así los estudiantes podrán tener un conocimiento más
amplio sobre los instrumentos de medición ya que hasta ahora sólo se han vistos
16
a través de fotografía. La estación le permitirá a los estudiantes podrán
familiarizarse con los instrumentos que encontraran en su posible lugar de trabajo
y tener así un mayor conocimiento.
El desarrollo del proyecto consiste en el diseño y construcción de una
estación industrial a escala para realizar prácticas en el Laboratorio de Control e
Instrumentación de La Universidad Nueva Esparta, el cual no existe actualmente.
Consiste en tres tanques que estarán conectados entre ellos mediantes tuberías.
Dos de los tanques tendrán la misma capacidad de litros de agua y uno será la
suma de los dos tanques. Cada tanque contiene sensores de nivel para obtener
una lectura de nivel alto y bajo. El PLC se encargara de hacer el sistema de
control de las bombas, sensores de nivel, pulsador de encendido y parada de
emergencia.
1.2 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar una estación para el desarrollo de prácticas y
proyectos en el área de automatización y control industrial, utilizando
Controladores Lógicos Programables (PLC) para el Laboratorio de Control e
Instrumentación de la Universidad Nueva Esparta.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Estudiar las necesidades de los estudiantes y profesores de la Escuela de
Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta referente a la
implementación del laboratorio de Control.
17
Realizar estudios teóricos del funcionamiento de los PLC (Controladores
Lógicos Programables), sensores y actuadores más comunes en las
industrias.
Identificar la funcionalidad y tecnología de los bancos de prueba existente
en la Universidad Fermín Toro y la Universidad Simón Bolívar a fin de
buscar mejoras y actualización de los mismos.
Identificar los métodos de estudio utilizados para los docentes de la Escuela
de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta, para evaluar y
diseñar la estación que ayude a lograr los objetivos de las cátedras
relacionadas con Sistema de Control.
Establecer los elementos que integraran la estación: como los sensores,
bombas. PLC y pulsadores.
Configurar el sistema de PLC (Controladores Lógicos Programables)
adecuada con su dispositivos de entrada / Salida.
Construir la estación con la instrumentación industrial adecuada.
Evaluar el funcionamiento de la estación mediante la ejecución de pruebas
técnicas en el laboratorio de la Universidad Nueva Esparta.
Implementar la estación en el laboratorio de Control e Instrumentación de la
Universidad nueva Esparta.
1.3 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Al diseñar e implantar el proyecto de investigación, la Escuela de Ingeniería
Electrónica de la Universidad Nueva Esparta podrá fortalecer sus áreas de
18
laboratorios y así ofrecer a sus alumnos un sistema educativo más amplio, ya que
se le podrá impartir una educación tanto teórica como practica.
Con la implementación del laboratorio los alumnos podrán ver el
funcionamiento de: PLC (Controladores Lógicos Programables), bombas, tanques,
medidas de seguridad industrial y tablero de mando. Esta implementación traerá
innumerables beneficios para los estudiantes, dentro de los que se puede
destacar:
Manipulación de PLC.
Ejecutar y controlar sistemas industriales a escala.
Aplicación de sistemas de seguridad.
Familiarizarse con bombas, válvulas, sensores, tanques y con muchos otros
instrumentos industriales.
Lo relevante de este proyecto es que se va a diseñar una estación que podrá
ser manipulada por los estudiantes para que puedan practicar y simular procesos
industriales; para que cuando salgan al campo laboral estén familiarizados con el
manejo de los sistemas de control y automatización.
1.4 DELIMITACIÓN
1.4.1 DELIMITACIONES TEMPORALES
El proyecto será realizado desde el período 15 de Marzo 2010 hasta el 30
de Octubre del 2010, lo cual va a ser 7 meses y 15 días para la culminación del
proyecto.
19
1.4.2 DELIMITACIONES GEOGRÁFICAS
El desarrollo, implementación y pruebas se realizarán en los laboratorios de
la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta ubicada en
la Avenida sur 7. Los Naranjos. Municipio El Hatillo. Caracas – Venezuela.
1.4.3 DELIMITACIONES TÉCNICAS
El proyecto de investigación se ha diseñado tomando en cuenta las
necesidades de la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva
Esparta. El mismo cubrirá la parte experimental de las cátedras de: Ingeniería
Industrial, Electrónica Industrial, Técnica de Instrumentación y Computación X
(PLC).
Entre los recursos técnicos de lo que dispone, se tiene un PLC S7-200,
CPU 224 marca SIEMENS, así como los otros componentes electrónicos y
eléctricos que serán suministrados por los autores del presente Trabajo de Grado.
La estación dispondrá de dos tanques con capacidad de 2 litros cada uno y
un tanque con capacidad de 4 litros. El sistema está capacitado para trabajar
automáticamente o manualmente mediante switches. El sistema no aceptara
ningún otro instrumento que no esté especificado en la estación y por lo tanto se
deberá programar cada uno de ellos para su prueba.
1.5 LIMITACIONES
La principal limitación que se podría presentar para el desarrollo del
proyecto es la disponibilidad y costos de los componentes ya que la situación
actual del país es muy difícil obtener los componentes necesarios y se tendrá que
recurrir a los mercados extranjeros.
20
Entre otra limitación tenemos la integración y compatibilidad entre el
Hardware y el Software. La accesibilidad y disposición de los componentes
electrónicos que conformara la estación, es decir, el ensamblaje de los circuitos
electrónicos y la elaboración de la estación.
Para solucionar la disponibilidad y costos de los componentes se hizo un
estudio de los se encontraban actualmente en el mercado actualmente en el país y
un cuadro de comparación de precio y funcionalidad.
Al terminar el estudio se procedió a elegir los componentes adecuados y
compatibles con el PLC.
21
CAPÍTULO II
MARCO TEORICO
2.1 ANTECEDENTES
En el transcurso de la investigación del problema de estudio, se realizó una
revisión documental sobre los temas relacionados con automatización y bancos de
pruebas en la Universidad Simón Bolívar y la Universidad Nueva Esparta.
UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR (2008) Grupo de Sistemas Industriales de
Electrónica de Potencia (SIEP). Estudio, desarrollo de modelos, simulación,
construcción y evaluación de diferentes arquitecturas para convertidores de
Electrónica de Potencia utilizando los nuevos dispositivos que se desarrollan
actualmente en este campo. Desarrollo de nuevas estrategias de control de
máquinas eléctricas en el área de Software y Hardware. También se pretenden
desarrollar nuevos procedimientos para evaluar el impacto de estas técnicas de
control en los convertidores electromecánicos, en los convertidores electrónicos y
en las redes de potencia eléctrica, para mejorar su rendimiento y/o disminuir los
efectos perjudiciales.
Este antecedente nos permite evaluar los conocimientos aplicados en la
Universidad Simón Bolívar y la Universidad Antonio José de Sucre (UNEXPO)
para la realización de nuestra estación de prueba. Estas dos universidades están
trabajando en conjunto para diseñar un laboratorio para brindarles a sus alumnos
un gran campo de estudio experimental.
TECNOLOGIA EDUCATIVA S.A. (2009) Sistema de entrenamiento para
plantas de proceso PCT23 MkII por la empresa Tecnológica educativa S.A. El
Sistema de entrenamiento para plantas de proceso puede utilizarse para
demostrar una extensa variedad de métodos y estrategias de control de procesos.
22
Las demostraciones incluyen desde control manual y lazos de realimentación
simples, hasta sofisticados lazos en cascada y control y supervisión distribuidos de
todo el proceso por una computadora remota. El sistema es una réplica en
miniatura de un proceso de producción real. El estudiante se enfrenta con
problemas reales de control de procesos, con comportamiento dinámico e
inestabilidades realistas.
Este sistema de entrenamiento controlado por PLC permitirá tener una guía
para diseñar el laboratorio para la Universidad Nueva Esparta, ya que tiene
básicamente los mismos principios de diseño.
RODRIGUEZ, Daniel (1995) Tesis de grado para optar al título de Ingeniero
Electrónico. “Automatización de maquina inyectora de aluminio a partir del uso de
controladores lógicos programables”. Universidad Nueva Esparta. Caracas,
Venezuela.
Este Trabajo de Grado se realizo para el desarrollo de un tablero de control
con el fin de sustituir el control con lógica a base de transistores por un sistema
basado en lógico programables (PLC) para la empresa “Industrias Metalúrgicas
MB”. El cual se logro un manejo del as maquinas con mayor rendimiento y calidad.
Esta investigación brindó información importante sobre el funcionamiento,
características y eficacia del PLC.
2.2 BASES TEORICAS
2.2.1 SISTEMA DE CONTROL
Los sistemas de control se han implementado para controlar máquinas o
procesos, de modo de reducir las posibilidades de fallos y errores para poder
obtener los resultados deseados.
23
Según Dorf, Richard (1986) “Una interconexión de componentes que
forman una configuración del sistema que proporcionara una respuesta deseada
del sistema. La base para el análisis de un sistema es el fundamento
proporcionado por la teoría de los sistemas lineales, la cual supone una relación
de la causa-efecto para los componentes de un sistema”.
De esta definición se puede decir que un sistema de control es un conjunto
de entradas (dispositivo mecánicos, eléctricos, electrónicos, neumáticos,
hidráulicos) que provienen de la señal de acción y se diseña un sistema de control
para tener una salida variable para controlar el funcionamiento de una maquina o
proceso.
En la figura 1 se puede observar un sistema de control básico.
Figura 1. Sistema de control básico
Fuente: Ogata, Kuo (1998)
Los sistemas de control se pueden clasificar en:
2.2.1.1 SISTEMA DE CONTROL A LAZO ABIERTO
En el sistema de control a lazo abierto es aquel que no depende de la
acción de control ni es realimentada para hacer comparada con la entrada, como
se puede observar en la figura 2.
24
Figura 2. Sistema de control a lazo abierto.
Fuente: Ogata, Kuo (1998)
Según Ogata, K (1998), “Los sistema en los cuales la salida no afecta la
acción de control se denominan sistema de control a lazo abierto”
2.2.1.1 SISTEMA DE CONTROL A LAZO CERRADO
El sistema de control de lazo cerrado es el más preciso ya que la señal a
ser controlada debe ser realimentada y comprada con la señal de referencia del
sistema para tener una señal actuante proporcional a la diferencia existente entre
la señal de entrada y la señal de salida para poder corregir en el sistema el error.
En la figura 3 se puede observar un modelo del sistema de lazo cerrado.
25
Figura 3. Sistema de control a lazo cerrado.
Fuente: Ogata, Kuo (1998)
2.2.2 AUTOMATIZACIÓN
Peña, Caro, Saldes y García (2003) “Es la manera de incorporar equipos a
procesos industriales, o en general a cualquier forma que garantice el correcto
funcionamiento del proceso, ya que en su totalidad o en cualquiera de sus partes
integrantes”
Es un sistema donde se transfieren las tareas de mando de obra humana a
un conjunto de elementos tecnológicos y así reducir aquellas tareas tediosas,
peligrosas, en excesos complejos e imposibles de realizar.
2.2.3 CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES (PLC).
Peña, Caro, Saldes y García (2003) “Toda máquina electrónica diseñada
para controlar en tiempo real y en entornos industriales procesos de naturaleza
combinacional y secuencial. Su manejo en el ámbito de instalación y programación
puede ser realizado por personal técnico carente de un gran nivel informativo”.
26
Pérez López, Omar (1997) “Los controladores lógicos programables son
dispositivos de estado sólido que tienen la capacidad de almacenar instrucciones
para implementar funciones de control, tales como: control de eventos
secuenciales, control temporizado, funciones de contador, funciones aritméticas,
manipulación de datos y comunicación.
Los PLC (Controladores Lógicos Programables) son dispositivos utilizados
para controlar operaciones de procesos o máquinas, está compuesto por la
Unidad de Procesamiento Central (CPU) y Las interfaces de Entradas y Salidas
(E/S). Los PLC realizan funciones específicas tales como lógicas, secuencias,
temporizaciones, conteos y operaciones aritméticas para controlar máquinas y
procesos.
El PLC es un elemento de control de procesos que es moldeable a
cualquier situación de automatización. Es una herramienta sumamente útil ya que
permite ser programado a las necesidades de cada usuario para satisfacer la
necesidad concreta de control.
Básicamente un PLC está conformado por una Unidad Central de
Procesamiento (CPU) y los periféricos de Entradas y Salidas.
En la figura 4 se muestra un PLC de la Empresa Siemens modelo
S7-200 con CPU 224:
27
Figura 4. PLC Siemens S7-200 CPU 224
Fuente: Siemens (Marzo 2010)
2.2.3.1 ESTRUCTURA
La estructura básica de un PLC es:
Unidad Central de Procesamiento (CPU): es el que se encarga de procesar
los datos de acuerdo a una lógica preestablecida y ejerce todo el control
sobre el flujo de la información. En la tabla 1 se muestra una tabla donde se
explican las funciones de cada uno de los componentes del CPU.
28
Tabla 1. Funciones de cada componente del CPU
Componentes Función
Procesador Realizar operaciones matemáticas.
Manejo de datos.
Rutinas de diagnóstico del sistema.
Ejecutar cíclicamente (scanning) el programa.
Coordinar las tareas de comunicación con los dispositivos periféricos.
Interpretar y ejecutar las rutinas del sistema.
Fuente de alimentación
Proveer voltaje DC a los componentes (procesador, memoria, módulos de entrada y salida, etc.).
Monitorear y regular los voltajes de alimentación para avisar al CPU alguna falla.
Memoria Almacenar los programas, datos y
funciones del PLC.
Fuente: Pérez López, Omar (1997). Manual del participante de la Universidad Simón Bolívar.
Módulos de Entrada y Salidas: son las interfases de comunicación entre el
CPU y los dispositivos exteriores. La función principal es convertir las
señales de los dispositivos exteriores en lenguaje entendible para el CPU y
convierte la señal proveniente del CPU para los dispositivos exteriores.
En la tabla 2 se describen las principales funciones de los módulos
de entrada y salida de un PLC:
29
Tabla 2. Principales funciones de los módulos de entrada y salida
Módulo Función
Digital Permitir la conexión entre los elementos de campo que
utilicen o generen señales digitales y el CPU del PLC.
Permitir al controlador medir presiones, posiciones,
proximidad, temperatura, movimiento o cualquier elemento
que utilice dos estados como señal de información.
Enviar comandos a diferentes dispositivos que tengan
comportamiento digital (dos estados posibles).
Analógico Realizar la transformación de las señales (temperatura de un
líquido, presión en un tanque, voltaje de un dispositivo, etc.)
continuas del proceso, en variables numéricas manejadas por
el controlador y viceversa.
Especial Ejecutar funciones particulares o sofisticadas, a fin de
garantizar el manejo de un gran número de situaciones.
Ejemplo (Módulos de comunicación, de termocuplas, módulos
para el control PID, arrancadores de motor, contadores de alta
velocidad, entre otros).
Fuente: Pérez López, Omar (1997). Manual del participante de la Universidad Simón Bolívar.
Dispositivo de Programación: Es la interfaz que se utiliza para programar al
dispositivo. Es el medio de comunicación entre el hombre y la maquina.
2.2.3.2 AREA DE APLICACIÓN
Según Pérez López, Omar (1997) “La posibilidad de realizar tareas de
controles simples y repetitivos, como el encendido y apagados de elementos de
una máquina sencilla, hasta ejecutar tareas de control sofisticadas y a gran escala
en una planta, le dan a los PLC una importancia cada vez mayor dentro del mundo
de la automatización de sistemas”.
30
Las principales áreas de aplicación donde se han incorporado PLC son:
a) Maniobras de maquinas: Automovilísticas, embotelladora,
empaquetadora, textil, cerámica, plástica, química, petrolera, entre
otras.
b) Control: medición, visualización y chequeos de procesos.
c) Domestica: edificios y casas inteligentes.
2.2.3.3 VENTAJAS E INCOVENIENTES
Las principales ventajas de un PLC son:
Menor utilización de mano de obra en la instalación.
Puede ser reutilizado, ya que puede ser programado para realizar cualquier
proceso.
Posibilidad de introducir nuevas modificaciones sin necesidad de cambiar el
cableado ya existente.
Economía en el manteniendo.
Se puede controlar varias maquinas e instalaciones con un mismo PLC.
Los principales inconvenientes de un PLC son:
Alto costo inicial
Falta de un lenguaje estándar de programación
Se necesita un personal especializado para su programación
Incompatibilidad entre comunicación de autómatas de diferentes
fabricantes
31
2.2.3.4 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL PLC
Reducidas dimensiones.
Facilidad de instalación y montaje.
Fácil programación.
Fácil de reutilización de programas anteriores utilizados.
2.2.3.5 CLASIFICACIÒN DE LOS PLC
En la actualidad existen muchas clasificaciones de los PLC, muchas veces
dependiendo de los diferentes fabricantes. La clasificación más genérica de los
PLC tomado de Peña, Caro, Saldes y García (2003) lo clasifican en tres grupos:
1. Autómatas programables de gama baja
Hasta un máximo de 128 entradas/salidas.
La memoria de usuario disponible es de hasta unas 4k instrucciones.
2. Autómatas programables de gama media
Entre 128 y 512 entradas/salidas.
La memoria de usuario disponible es de hasta unas 16k
instrucciones.
3. Autómatas programables de gama alta
Más de 512 entradas/salidas.
La memoria de usuario disponible es superior a las 16k
instrucciones, e incluso en algunos casos puede llegar a superar las
100k instrucciones.
32
2.2.3.6 PROGRAMACIÓN DEL PLC
Los PLC utilizan diagramas de contacto y bobinas para su programación.
Entre los programas más utilizador por su eficiencia es el LADDER.
El lenguaje de programación LADDER (escalera) permite representar
gráficamente el circuito de control de un proceso dado mediante el uso simbólico
de contactos N.A. y N.C., temporizadores, contadores, registros de
desplazamiento, relés, bobinas, etc. Este tipo de lenguaje debe su nombre a su
similitud con los diagramas eléctricos de escalera.
El PLC lee el programa LADDER de forma secuencial (hace un scan o
barrido), siguiendo el orden en que los renglones (escalones de la escalera) fueron
escritos, comenzando por el renglón superior y terminando con el inferior.
En la tabla 3 se muestra la simbología del lenguaje de programación
LADDER.
33
Tabla 3. Simbología del lenguaje de programación LADDER
Fuente: Universidad Nacional de la Plata.
34
2.2.4 FUENTE DE ALIMENTACIÓN LOGO!Power 24V/4A
Las fuente de alimentación conmutada LOGO!Power 24V/4A ofrece más
potencia de salida en un tamaño reducido. Tiene una intensidad de salida hasta
4A con 24V.
Tiene un rango de tensión de entrada de 85V a 264V AC y un rango de
salida de 22.2V a 26.4V DC.
En la figura 5 se muestra un modelo de la fuente LOGO power Siemens:
Figura 5. LOGO!Power 24V/4A.
Fuente: Siemens (Marzo 2010)
2.2.5 TANQUES DE ALMACENAMIENTO
Según el manual de Diseño y tanque de almacenamiento de Ingeniería
León lo define como: “Los tanques de almacenamiento se usan como depósitos
para contener una reserva suficiente de algún producto para su uso posterior y
comercialización”.
35
2.2.6 BOMBAS
Según el manual de laboratorio 1-95 de la Universidad Nacional
Experimental del Táchira explica: “Las bombas son dispositivos que se encargan
de transferir energía a la corriente del fluido impulsándolo, desde un estado de
baja presión estática a otro de mayor presión. Están compuestas por un elemento
rotatorio denominado impulsor, el cual se encuentra dentro de una carcasa
llamada voluta. Inicialmente la energía es transmitida como energía mecánica a
través de un eje, para posteriormente convertirse en energía hidráulica”.
2.2.7 SENSORES
Según el Profesor Molina explica en su manual de sensores y actuadores
define a un sensor como: “Un sensor es un dispositivo diseñado para recibir
información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud,
normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular”.
Es un dispositivo que mide las variables físicas o químicas y la transforma
en una magnitud de señal eléctrica.
2.2.7.1 DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS SENSORES
2.2.7.1.1 SENSORES DE POSICIÓN
Según el Profesor Molina describe en su manual de sensores y actuadores
a los sensores de posición como:
Su función es medir o detectar la posición de un determinado objeto en el
espacio, dentro de este grupo, podemos encontrar los siguientes tipos de
captadores.
36
Captadores fotoeléctricos
Captadores por reflexión
Captadores de barrera
2.2.7.1.2 CAPTADORES FOTOELÉCTRICOS
Según el Profesor Molina describe en su manual de sensores y actuadores
a los sensores fotoeléctricos como: “La construcción de este tipo de sensores, se
encuentra basada en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas,
diodos LED, diodos láser etc...) y una célula receptora de dicha señal, como
pueden ser fotodiodos, fototransistores o LDR etc”.
2.2.7.1.3 CAPTADORES DE BARRERA Y DE REFLEXIÓN
Según el Profesor Molina describe en su manual de sensores y actuadores
a los captadores de barrera y reflexión como:
Captadores por barrera: Estos detectan la existencia de un objeto, porque
interfiere la recepción de la señal luminosa.
Captadores por reflexión: La señal luminosa es reflejada por el objeto, y
esta luz reflejada es captada por el captador fotoeléctrico, lo que indica al sistema
la presencia de un objeto.
2.2.7.1.4 SENSORES DE CONTACTO
Según el Profesor Molina describe en su manual de sensores y actuadores
a los sensores de contacto como: “Estos dispositivos, son los más simples, ya que
son interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en contacto con un
objeto, por lo que de esta manera se reconoce la presencia de un objeto en un
determinado lugar”.
37
Los sensores de contacto nos indican si ha habido contacto. Son
dispositivos sencillos que suelen ser interruptores de límite o microinterruptores
eléctricos.
2.2.7.1.5 SENSORES ULTRASÓNICOS
Según el Profesor Molina describe en su manual de sensores y actuadores
a los sensores ultrasónicos como: “Los sensores ultrasónicos son empleados en
las industrias químicas como sensores de nivel por su mayor exactitud en
presencia de burbujas en los reactores. Funcionan al igual que el sistema de sonar
usado por los submarinos. Emiten un pulso ultrasónico contra el objeto a censar y,
al detectar el pulso reflejado, se para un contador de tiempo que inició su conteo al
emitir el pulso”.
Son sensores que se usan básicamente para detectar obtaculos, poseen
mayor alcance que los sensores fotoeléctricos, inductivos y capacitivos. Se basan
en emitir un sonido y, si el receptor lo recibe es que detecta un objeto.
2.2.7.1.6 SENSORES DE PRESIÓN
Según el Profesor Molina describe en su manual de sensores y actuadores
a los sensores de presión como: “Los sensores de presión sofisticados funcionan
a base de celdas de carga y de sus respectivos amplificadores electrónicos, y se
basan en el conocido puente de Wheatstone, donde una de sus piernas está
ocupada por el sensor. Este sensor es básicamente una resistencia variable en un
sustrato que puede ser deformado, y lo cual ocasiona el cambio en el valor de la
mencionada resistencia”.
38
2.2.7.1.7 SENSORES DE NIVEL
Según el Profesor Molina describe en su manual de sensores y actuadores
a los sensores de nivel como: “Los sensores de nivel en su mayoría trabajan
indirectamente censando la posición de un flotador mediante un sensor inductivo o
un interruptor del tipo de canilla ("reed") y un imán permanente”.
2.2.7.1.8 SENSORES DE TEMPERATURA
Según el Profesor Molina describe en su manual de sensores y actuadores
a los sensores de temperatura como: “Los sensores de temperatura más sencillos
son los que actúan sobre un interruptor miniatura y en general, éstos son de dos
tipos: Sistemas de Dilatación de un fluido y Bimetálicos. Los primeros actúan al
dilatarse el líquido o el gas contenido dentro de un capilar y, los segundos actúan
directamente el interruptor mediante el efecto de diferencia de dilataciones de tiras
de dos metales diferentes. En general, se usan para interrumpir hasta corrientes
de 30 Amperes en 120 volts”.
Suelen ser unas resistencias que varían su valor dependiendo de la
temperatura. Hay dos maneras de sensor cuando aumenta el calor, aumentan la
resistencia (PTC) y otras que cuando el calor aumenta disminuyen su valor (NTC).
2.2.7.1.9 SENSORES DE FLUJO
Según el Profesor Molina describe en su manual de sensores y actuadores
a los sensores de flujo como: “Los sensores de flujo más usuales comprenden de
una pequeña turbina que gira dentro del fluido a censar, y, de un sensor del tipo
inductivo que censa el número de revoluciones de los álabes de la turbina, o, en
otro tipo, la señal es tomada de un taco generador acoplado directamente a la
turbina. También los hay del tipo de estado sólido, los cuales tienen en la cabeza
39
censora dos resistencias calibradas. Con una de ellas se calienta un poco el fluido
que rodea la cabeza y con el otro se censa la temperatura del fluido”.
2.2.8 MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS
La medida del nivel de los líquidos es una de las mediciones fundamentales
que se encuentran con más frecuencia en las industrias.
El conocimiento del nivel de un líquido dentro de un recipiente puede
necesitarse simplemente para comprobar la cantidad de material en existencia,
para determinar la cantidad de líquido que se suministra a un proceso, o bien
puede ser la medición primaria en un sistema de regulación destinado a mantener
el nivel en un recipiente que forma parte de un proceso continuo.
Un factor importante es la forma del recipiente en el cual se debe medir el
nivel del líquido. El grado de exactitud depende de la forma del recipiente, ya que
en un recipiente alto y de pequeño diámetro puede medirse más exactamente que
otro aplanado y de diámetro grande.
2.2.8.1 INSTRUMENTOS BASADOS EN CARACTERÍSTICAS
ELÉCTRICAS DEL LÍQUIDO
Se conocen varios métodos eléctricos para medir niveles de líquidos, pero
estos se utilizan principalmente para regular el nivel en un punto o entre dos
puntos sin ninguna medición intermedia. Unos de estos instrumentos son el
medidor de nivel conductivo, medidor de capacidad, medidor de nivel ultrasónico y
el medidor de láser.
2.2.8.1.1 MEDIDOR DE NIVEL CONDUCTIVO
Según Creus, Antonio (1992) explica que los medidores de nivel conductivo
son: “El medidor de nivel conductivo consiste en uno o varios electrodos y un relé
40
eléctrico o electrónico que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos.
El líquido debe ser lo suficientemente conductor para excitar el circuito electrónico,
y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su
vapor, y tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de
vapor”.
2.2.8.1.2 MEDIDOR DE NIVEL DE CAPACIDAD
Según Creus, Antonio (1992) explica que la medición de nivel de capacidad
son: “El medidor de capacidad mide la capacidad del condensador formado por el
electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque. La capacidad del
conjunto depende linealmente del nivel del líquido. En los fluidos no conductores
se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la
del líquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores”.
En la figura 6 se muestra un modelo de medidor de nivel de capacidad:
Figura 6. Medidor de nivel de capacidad.
Fuente: Creus, Antonio (1992). Instrumentación Industrial
41
2.2.8.1.3 SISTEMA ULTRASÓNICO DE MEDICION DE NIVEL
Según Creus, Antonio (1992) describe que los sistemas ultrasónicos de
medición de nivel son: “El sistema ultrasónico de medición de nivel se basa en la
emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del
eco del mismo receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del
tanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 khz. Estas ondas
atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión del medio ambiente de gases o
vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido”.
2.2.8.1.4 MEDIDOR DE NIVEL LASER
Según Creus, Antonio (1992) describe que el medidor de nivel laser es: “En
aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de
nivel convencionales fallan, encuentra su aplicación el medidor de nivel láser y el
descrito en el punto anterior. Es el caso de la medición del metal fundido, donde la
medida del nivel debe realizarse sin contacto con el líquido y a la mayor distancia
posible por existir unas condiciones de calor extremas. El sistema consiste en un
rayo láser enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un
espejo sobre la superficie del metal fundido”.
En la figura 7 se muestra un ejemplo del medidor de nivel laser:
42
Figura 7. Medidor de nivel laser.
Fuente: Creus, Antonio (1992). Instrumentación Industrial
2.2.9 CABLE ELECTRICO
Es un conductor eléctrico cuya alma conductora está formada por una serie
de hilos conductores.
Los tipos de cable varían en cuanto a su tamaño por su calibre,
normalmente en AWG que es equivalente a mm2.
43
Figura 8. Cable Electrónico
Fuente: Definición ABC
2.2.10 FUSIBLE
Es un dispositivo que se usa para proteger los circuitos electrónicos,
permite el paso de la corriente mientras que no supere su valor establecido.
Figura 9. Fusibles
Fuente: Mailxmail
44
2.2.11 TERMINOS BÁSICOS
A
AC: Corriente alterna
Automatización: Según el Diccionario de la Real Academia Española lo
definen como la acción y efecto de automatizar por medio de componentes y
desarrollos electrónicos todo tipo de procesos industriales.
B
Bit: Unidad de información o dígito binario.
C
Comunicación: Según el Diccionario Enciclopédico Planeta lo define como
una conexión establecida entre dos o más puntos, mediante un dispositivo
eléctrico, radioeléctrico, telegráfico, etc.
Conductor: Es un cuerpo que cuando es cargado de electricidad la
transmite a todos los puntos de su superficie.
Control: Según el Diccionario Enciclopédico Planeta lo define como una
parte de un ordenador cuyas funciones consisten en controlar el flujo de
información a través del ordenador y en activar las partes de la maquina afectadas
por cada instrucción.
45
D
DC: Corriente Continua.
Diagrama Escalera: Según la página web de Unicrom lo define como un
lenguaje de programación que permite representar gráficamente el circuito de
control de un proceso dado mediante el uso simbólico de contactos N.A. y N.C.,
temporizadores, contadores, registros de desplazamiento, relés, etc. Este tipo de
lenguaje debe su nombre a su similitud con los diagramas eléctricos de escalera.
E
Electrodo: es una placa de membrana rugosa de metal, es un conductor
utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito.
L
LADDER: Lenguaje de programación del PLC basado en contactos y relés.
M
Memoria: Aparato en el cual se le puede introducir infamación y extraerse
mas tarde.
N
NA: Normalmente Abierto
NC: Normalmente cerrado.
46
R
Relé: Según el Diccionario de la Real Academia Española lo definen:
Aparato destinado a producir en un circuito una modificación dada, cuando se
cumplen determinadas condiciones en el mismo circuito o en otro distinto.
2.2.12 CUADRO DE VARIABLES
Tabla 4. Cuadro de Variables
Objetivo Variable Dimensión Indicador Fuente Técnicas de
recolección de datos
Estudiar las necesidades de los estudiantes y profesores de la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta referente a la implementación del laboratorio de Control.
Actividades de Laboratorio
Plan de evaluación Métodos de
estudio
Campo Observación Requerimientos técnicos
Capacidad de manipular las
entradas y salidas.
Funciones Identificación de fallas en el
proceso
Realizar estudios teóricos del funcionamiento de los PLC (Controladores Lógicos Programables), sensores y actuadores más comunes en las industrias
Funcionamiento de los PLC, bombas y sensores
comerciales.
Calidad Normas ISO
Documental
Manuales
Internet
Libros
Compatibilidad Voltaje
Seguridad % de error
Costo BsF.
47
Identificar la funcionalidad y tecnología de los bancos de prueba existente en la Universidad Fermín Toro y la Universidad Simón Bolívar a fin de buscar mejoras y actualización de los mismos
Funcionalidad de los bancos
de pruebas existentes en
otras Universidades
Calidad Normas ISO
Campo Observación
Seguridad % de error
Confiabilidad Grado de
aceptación
Identificar los métodos de estudio utilizados para los docentes de la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta, para evaluar y diseñar la estación que ayude a lograr los objetivos de las cátedras relacionadas con Sistema de Control.
Métodos de estudio
utilizados por los docentes de la
Escuela de Ingeniería
Electrónica de la Universidad
Nueva Esparta
Plan de evaluación Métodos de
estudio
Campo Observación
Tiempo Horas
Establecer los elementos que integraran la estación: como los sensores, bombas. PLC y pulsadores.
Característica de los
elementos de la estación.
Sensores Nivel Voltaje
Documental
Manuales
Internet
Libros
Bomba voltaje
Pulsador NC - NA
PLC
Entradas
Voltaje
Salidas
Configurar el sistema de PLC (Controladores Lógicos Programables) adecuada con su dispositivos de entrada / Salida.
Proceso de manejo de la
estación Dispositivos de procesos
Entradas y Salidas
Campo Programación
48
Construir la estación con la instrumentación industrial adecuada.
Desarrollo de la estación que
cumpla con las necesidades del
laboratorio
Necesidades de las asignaturas
Practicas Documental Asignaturas
Evaluar el funcionamiento de la estación mediante la ejecución de pruebas técnicas en el laboratorio de la Universidad Nueva Esparta.
Ejecución de pruebas de la
estación Calidad
Grado de aceptación
Campo Observación
Implementar la estación en el laboratorio de Control e Instrumentación de la Universidad nueva Esparta.
Implementación Calidad Normas ISO Campo Programación
Fuente. Los autores
49
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
3.1 TIPO DE LA INVESTIGACIÓN
Al respecto en el Manual de Metodología de la Universidad Experimental
Libertador (1998 p. 7) manifiesta que:
“El proyecto factible consiste en la elaboración de una propuesta de
un modelo operativo viable, o una solución posible a un problema de
tipo práctico para satisfacer necesidades de una institución o grupo
social. La propuesta debe tener apoyo, bien sea en una
investigación de tipo documental y debe referirse a la formulación de
políticas, programas, métodos y procesos.”
Partiendo de la definición anterior, el presente Trabajo de Grado se trata
principalmente en el diseño e implementación de un laboratorio basado en
instrumentación industrial que proporcionará un sistema educativo de un mayor
nivel, ya que se va a dar respuesta a la necesidad que viene presentando la
Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta de no poseer
dicho laboratorio, por lo que se podría definir que el presente trabajo de
investigación es un proyecto factible.
Según Batista, Eugenia en su Manual de Metodología de la Investigación
(pág. 30) explica: “Un proyecto factible debe cumplir con varias características
tales como:
Proponer soluciones a una situación determinada.
Explorar, describir, explicar y proponer alternativas de cambio.
50
El proyecto debe tener apoyo en una investigación de tipo documental, de
campo o un diseño que incluya ambas modalidades.
Los proyectos deben ser de tipo económico, social, educativo o
tecnológico”.
Por lo expresado anteriormente, el presente Trabajo de Grado cumple y se rige
por estas normas y característica anteriormente mencionada por lo cual lo hace un
proyecto factible.
3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
El presente trabado de grado comprende a dos tipos de diseños:
documental y de campo, por lo cual es de tipo mixto.
Según el Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño (2006) en su
manual de trabajo especial de grado, lo definen:
“Diseño Documental: Si las fuentes no son vivas o aquella que se basa en
la obtención y análisis de los datos provenientes de materiales impresos u otros
tipos de documentos”
Se ha analizado toda la información existente sobre las actividades
desarrolladas, así como aquellos documentos, bibliografías y documentos
electrónicos, que se utilizaran para la recolección de datos para la investigación.
Según el Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño (2006) en su
manual de trabajo especial de grado, lo definen:
“Diseño de Campo: Es cuando la información se recoge en un contexto
natural o si son fuentes vivas.”
51
Para la recolección de datos se necesita observar y conocer los otros
campos existentes en otros sitios, sin realizar modificaciones algunas. Para
obtener y conocer la solución se necesita una base de conocimientos
experimentales dentro del área de trabajo, por lo tanto el diseño de investigación
cuenta con un diseño de campo.
3.3 POBLACIÓN Y MUESTRA
Méndez, Carlos (2001) define a la población: “al número de personas a las
cuales se le puede solicitar información depende tanto de los objetivos y alcances
del estudio como de las características de las personas que la pueden
suministrar”.
La población del presente trabajo de investigación está conformando por los
estudiantes de la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva
Esparta. Es necesario destacar que la población de la investigación es de tipo
finita, ya que la población de la Escuela de Ingeniería Electrónica de la
Universidad Nueva Esparta es de 70 alumnos.
Méndez, Carlos (2001) define a la muestra: “el muestreo permite al
investigador, por un lado, seleccionar a las unidades de la población a las que se
les requerirá información, y por el otro, interpretar los resultados con el fin de
estimar los parámetros de la población sobre la que se determina la muestra... ”
La muestra es probabilística y de tipo azar simple. Hernández, Fernández y
Batista (2003) establecen que las muestras probabilística: “son esenciales en los
diseños de investigación transeccionales cuantitativos (por encuesta), donde se
pretende hacer estimaciones de variables en la población; se miden con
instrumentos de medición y se analizan con pruebas estadísticas para el análisis
de los datos, donde se presupone que la muestra es probabilística y todos los
elementos de la población tienen una misma probabilidad de ser elegidos”.
52
Para el cálculo de la muestra se utilizó la siguiente fórmula:
Fórmula 1. Fórmula para estimar la población.
Fuente. Arias, F
N = Tamaño de la población
Y = Valor de la Variable (por lo general es igual a 1)
Z = Varianza tipificada (típica 95%)
S = Desviación Standard (típica 0,015 para 15%)
e = Error muestral (típico 5%)
p = Proporción de elementos que presentan la característica (típico 50%)
q = Proporción de elementos que no presentan la característica (típico 50%)
n = Tamaño de la muestra
Cálculo de la población
Datos
N: 70 alumnos de la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad
Nueva Esparta.
Y: 1 estudiante
n: ?
n = (N. Z². p. q) / ((N – 1). e + Z². p. q)
53
Aplicaciones de las fórmulas
Fórmula 2. Fórmula para estimar la población y resultado.
Fuente. Arias, F
3.4 TÉCNICAS E INTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Según Arias (1999), menciona que “las técnicas de recolección de datos
son las distintas formas de obtener información”.
Tamayo y Tamayo (2001), define a la encuesta como: instrumento de
observación formado por una series de preguntas formuladas y cuyas repuestas
son anotadas por el empadronador.
La técnica de recolección de datos que se utilizará en la presente
investigación es la Encuesta. En el Anexo 1 se muestra el modelo de la encuesta
a aplicar en el presente trabajo de investigación. Este sistema de recolección de
datos fue evaluado, aprobado y certificado por tres profesores como parte de un
jurado experto. (Ver anexo 2).
Para recolectar datos técnicos se realizarán cinco pruebas: de
funcionalidad, de automatización, de voltaje, de corriente y de materiales. Las
pruebas de funcionalidad se realizarán observando la programación del tablero de
control, las pruebas de voltajes y de corriente serán realizadas con un voltímetro y
de materiales mediante comparaciones y aguante de los instrumentos a utilizar.
Los datos se obtenidos en las pruebas prácticas serán comparados con los
valores aportados por los manuales de los fabricantes.
n = 70 x (1.96)2 x 0,5 x 0,5 = 17
((61 -1) x 0,05 + (1,96)2 x 0,5 x 0,5)
54
3.5 TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANALISIS DE DATOS
Según Selltiz y Jahoda (1976) “…el propósito del análisis es resumir las
observaciones llevadas a cabo de forma tal que proporcionen respuestas a las
interrogantes de investigación” (p.430).
Una vez realizada la encuesta, se clasificarán resultados de cada pregunta
y se graficarán mediante gráficos tipo torta en el cual se podrá observar el
porcentaje de cada pregunta.
El análisis de los datos de las encuesta bastara con la determinación del
porcentaje general de las repuestas afirmativas y con lo cual se podrá tener una
idea clara con la aceptación que tendrá el proyecto de investigación.
Al realizar las pruebas técnicas de: de funcionalidad, de automatización, de
voltaje, de corriente y de materiales serán comparados en un cuadro con los
valores estándares específicos industriales.
3.6 DATOS RECOLECTADOS
Como resultados de las encuestas realizadas a la muestra tomada de la
Universidad Nueva Esparta a un total de 70 individuos, conformado por el
personal, docente y estudiantil, que se ven beneficiados con la implementación de
la estación para el desarrollo de prácticas y proyectos en el área de
automatización y Control Industrial en el Laboratorio de Control e Instrumentación
de la Universidad.
Los resultados se verán reflejados en una tabla de doble entrada donde se
puede observar la relación entre las respuestas obtenidas. La muestra fue tomada
de la población la cual está integrada por un número de 70 estudiantes
comprendido entre el sexto y décimo semestre de la escuela de Ingeniería
Electrónica de la Universidad Nueva Esparta.
55
3.7 TABLA DE DOBLE ENTRADA PARA ANALIZAR LOS DATOS
OBTENIDOS EN LA ENCUESTA
Tabla 5. Tabla de doble entrada
PREGUNTAS PERSONAS SI % NO %
¿Considera usted que los
laboratorios de la UNE
cumplen con todos los
requerimientos de todas las
materias de Ing.
Electrónica?
70
70
100 0 0
¿Con los laboratorios
existentes puede hacer
usted pruebas de Control
por PLC y manejo de
Instrumentación Industrial?
70 3 4.28 67 95.72
¿Considera usted que
realizar pruebas en
laboratorio fortalecerá sus
conocimientos?
70 60 85.71 10 14.29
¿Le gustaría manejar los
instrumentos industriales y
el controlador PLC en los
laboratorio de la UNE?
70 58 82.85 12 17.15
¿La implementación de un
Laboratorio de
instrumentación Industrial
en la UNE sería
beneficioso para usted?
70 68 97.14 2 2.86
Fuente: Los Autores
56
A continuación se presenta un análisis detallado pregunta por pregunta de
los resultados obtenidos:
3.8 CUESTIONARIO
1. ¿Considera usted que los laboratorios de la UNE cumplen con todos los
requerimientos de todas las materias de Ing. Electrónica?
Figura 10. Grafico de torta de la pregunta 1
Análisis Con respecto a la pregunta 1, se pudo observar que el 100% de las
personas encuestadas opina que los laboratorios de la UNE no cumplen con
todos los requerimientos de todas las materias de Ingeniería Electrónica. Al
analizar estos resultados se puede observar que los alumnos consideran que
los laboratorios de la Universidad nueva Esparta no cubren con todas las
necesidades de las materias dictadas por la Escuela de Electrónica.
SI 100,00%
NO 0,00%
57
2. ¿Con los laboratorios existentes puede hacer usted pruebas de Control por
PLC y manejo de Instrumentación Industrial?
Figura 11. Grafico de torta de la pregunta 2
Análisis Con respecto a la pregunta 2, se pudo observar que el 95.71% de las
personas encuestadas opina que con los laboratorios existentes no pueden
hacer pruebas de control por PLC y manejo de instrumentación industrial, y
solo la minoría de las personas encuestadas, representadas en un 4.29%,
aseguran que si pueden hacer pruebas. Al analizar estos resultados se afirma
que las pruebas de control y PLC en la Universidad Nueva Esparta no se
pueden realizar.
SI 4,29%
NO 95,71%
58
3. ¿Considera usted que realizar pruebas en laboratorio fortalecerá sus
conocimientos?
Figura 12. Grafico de torta de la pregunta 3
Análisis Con respecto a la pregunta 3, se pudo observar que el 85.71% de las
personas encuestadas opina que realizar pruebas en el laboratorio fortalecerá
sus conocimientos, y solo la minoría de las personas encuestadas,
representadas en un 14,29%, aseguran que no fortalecerá sus conocimientos.
Al analizar estos resultados se confirma que al implementar un laboratorio
destinado a pruebas y simulación del control los alumnos fortalecerán sus
conocimientos.
SI 85,71%
NO 14,29%
59
4. ¿Le gustaría manejar los instrumentos industriales y el controlador PLC en
los laboratorio de la UNE?
Figura 13. Grafico de torta de la pregunta 4
Análisis Con respecto a la pregunta 4, se pudo observar que el 82.86% de las
personas encuestadas opina que le gustarían manejar los instrumentos
industriales y controlar PLC en los laboratorios de la UNE, y solo la minoría de
las personas encuestadas, representadas en un 17.14%, aseguran que no le
gustaría. Al analizar estos resultados se observan que los alumnos están de
acuerdo con la implementación de un laboratorio de control en la Universidad
Nueva Esparta.
SI 82,86%
NO 17,14%
60
5. ¿La implementación de un Laboratorio de instrumentación Industrial en la
UNE sería beneficioso para usted?
Figura 14. Grafico de torta de la pregunta 5
Análisis Con respecto a la pregunta 5, se pudo observar que el 97,14% de las
personas encuestadas opina que la implementación de un laboratorio de
instrumentación industrial en la UNE sería beneficioso, y solo la minoría de las
personas encuestadas, representadas en un 2,86%, aseguran que no sería
beneficioso. Al analizar estos resultados se observan que los alumnos están de
acuerdo con la implementación de un laboratorio de control en la Universidad
Nueva Esparta.
SI 97,14%
NO 2,86%
61
CAPÍTULO IV
SISTEMA PROPUESTO
El diagrama se presenta con la finalidad de explicar, y desglosar el proyecto
para un mejor entendimiento.
4.1 DIAGRAMA DE BLOQUES
Figura 15. Diagrama de Bloques
Fuente: Los Autores
A continuación se explicará cada bloque:
4.1.1 BLOQUE DE ENTRADAS
Es el medio de comunicación del operador con los instrumentos de campo,
le permitirá al usuario controlar, obtener información, estado y interactuar con el
sistema de control, entre las cuales se localiza un switche disponible con dos
entradas digitales para iniciar (NA) el sistema; ubicado en la parte frontal del
equipo, el cual está perfectamente identificado.
62
El sistema identifica cual de las entradas del switche fue presionada y envía
una señal al PLC para que el mismo procese la selección, dependiendo de la
programación cargada, y así continúe con el siguiente paso.
Se va a encontrar los sensores de nivel de los tanques. En la cual estará en
sub-rutina correspondiente al paso programado. Mediante el cual serán los
encargados de mandarles la información al PLC para el encendido y apagado de
las bombas de la estación.
El pulsador de emergencia (NC), permite al usuario impartir interrupciones
al PLC. Actúa dependiendo de la acción programada por el usuario, la cual están
determinada para detener el sistema en caso de alguna falla. Una vez corregida
la falla en el sistema se procede a su desactivación y así continuando con la
acción antes programada. En la figura 16 se puede observar el botón de
emergencia de la empresa SIEMENS:
Figura 16. Botón de parada de emergencia
Fuente: Los Autores
63
En la figura 17 se muestra el Diagrama Eléctrico de las Entradas del PLC
Siemens a utilizar y en la tabla 6 se muestra la tabla de simbología:
Figura 17. Diagrama Eléctrico de las Entradas del PLC Siemens
Fuente: Los Autores
64
Tabla 6. Tabla de la Simbología del Diagrama Eléctrico de las Entradas del PLC Siemens
ENTRADA DESCRIPCION SIMBOLOGIA
I00 Botón de Encendido (Switche NA)
I01 Sensor de Nivel Alto Tanque 1
I02 Sensor de Nivel Bajo Tanque 1
I03 Sensor de Nivel Alto Tanque 2
I04 Sensor de Nivel Bajo Tanque 2
I05 Sensor de Nivel Alto Tanque 3
I06 Sensor de Nivel Bajo Tanque 3
I07 Botón de Parada de Emergencia (Switche NC)
I10 Borne de Entrada Adicional
I11 Borne de Entrada Adicional
I12 Borne de Entrada Adicional
I13 Borne de Entrada Adicional
I14 Borne de Entrada Adicional
I15 Borne de Entrada Adicional
Fuente: Los Autores
65
4.1.2 BLOQUE DE SALIDAS
En el presente bloque de la estación se encuentran las salidas del
proceso. La estación consta de cuatro bombas para el llenado y vaciado de los
tanques, son controladas mediante el PLC. Las bombas son de 12 Voltios DC y
consume 2.5 Amperios cada una. En la figura 18 se muestra el Diagrama Eléctrico
de las Salidas del PLC Siemens a utilizar y en la tabla 7 se muestra la tabla de
simbología:
Figura 18. Diagrama Eléctrico de las Salidas del PLC Siemens
Fuente: Los Autores
66
Tabla 7. Tabla de la Simbología del Diagrama Eléctrico de las Salidas del PLC Siemens
SALIDA DESCRIPCION SIMBOLOGIA
Q00 Bomba 1
Q01 Bomba 2
Q02 Bomba 3
Q03 Bomba 4
Q04 Borne de Salida Adicional
Q05 Borne de Salida Adicional
Q06 Borne de Salida Adicional
Q07 Borne de Salida Adicional
Q10 Borne de Salida Adicional
Q11 Borne de Salida Adicional
Fuente: Los Autores
67
El encendido y apagado de las bombas depende de las señales enviadas
por los sensores de nivel de cada tanque. En la figura 19 se muestra la bomba a
utilizar:
Figura 19. Bomba
Fuente: Los Autores
68
En la figura 20 se expone el diagrama Eléctrico del Controlador de las Bombas:
Figura 20. Diagrama Eléctrico del Controlador de las Bombas
Fuente: Los Autores
69
Para la alimentación del PLC se utilizo una fuente de Poder LOGO!Power
de 24 voltios para 4 Amper. En la figura 21 se muestra el diagrama eléctrico para
la conexión de la fuente de poder.
Figura 21: Diagrama Eléctrico de la Fuente de Poder LOGO!Power 24V/4A
Fuente: Los Autores
70
Para la alimentación de las bombas se utilizo una fuente de poder de 110V
AC con salidas de 12V/10A, encargada de proveer la energía necesaria para las
bombas y los leds indicadores. En la figura 22 se puede ver la fuente de poder
para el funcionamiento de las bombas y la figura 23 se muestra el diagrama
Eléctrico de la Fuente AC 110 V a DC 12V:
Figura 22. Fuente de poder
Fuente: Los Autores
71
Figura 23: Diagrama Eléctrico de la Fuente AC 110 V a DC 12V:
Para la conexión eléctrica entre los circuitos y los dispositivos electrónicos
de la estación se utilizo cable eléctrico 16 AWG, el cual es el Standard según
descrito en el manual del PLC para la interconexión entre los equipos.
72
4.2 DIAGRAMA DE INTERCONEXIÓN DEL SISTEMA
Figura 24. Diagrama de Interconexión del Sistema.
Fuente: Los Autores
Este es un proceso basado en almacenamiento de líquido en tanques y
recirculación del producto.
Los sensores de nivel son de tipos conductivos (electro sonda) lo cual
indicará el estado que se encuentra el nivel del agua en el tanque. Se medirá en
dos rangos: Nivel alto y Nivel bajo.
Las bombas son de 12 voltios con un consumo de 2.5 amperios cada una.
Son las encargadas de hacer la recirculación del agua entre los tanques.
73
El botón de emergencia es otra entrada digital al PLC que indica que hay un
problema y de debe detener el proceso, cuando esto sucede el PLC activa el
sistema de apagado y cuando se le indique en el programa éste reinicia el
proceso.
El PLC S7 – 200, CPU 224 marca SIEMENS el cual posee todas las
entradas y salidas necesarias para la automatización de las prácticas a realizar en
el prototipo del laboratorio, la principal ventaja de este PLC es que de requerir más
entradas y salidas se le pueden anexar módulos de expansión que permiten
aumentar su capacidad.
Para la alimentación del sistema se utilizó una fuente LOGO!Power de la
marca SIEMENS, el cual tiene un voltaje de entrada comprendido entre un rango
de 110V AC hasta 240V AC y cuenta con una salida de 24V/4A, encargada de
proveer energía tanto al PLC, como para todos los demás circuitos que componen
la estación: pulsador, switches y sensores.
Para la seguridad eléctrica se debe tener previsión ya que se está
alimentando con una corriente eléctrica de 110V en la entrada del PLC y la
Fuente. Se obliga a tener precaución ya que se puede obtener una descarga
inadecuada si no obtenemos ayuda técnica para preveer peligros y
malfuncionamiento en los equipos.
Se recomienda por NORMAS DE SEGURIDAD:
Verificar que la tensión de corriente de base sea 110V.
Una vez conectados los equipos evitar el contacto con el cable
eléctrico.
74
El PLC debe estar encendido para su programación y se requiere no
manipular los cables eléctricos.
En caso de conexión de módulos externos a la estación se debe
obtener información técnica para la implementación.
Si en alguna de las tareas que se practique se presenta un problema
como desconexión de algún dispositivo, se debe desconectar la
corriente de la estación y realizar las pruebas pertinentes para su
reparación.
Y en el momento de desacople de algunos de los dispositivos
instalados o implementados posteriormente a la estación se debe
desconectar de toda corriente eléctrica.
4.3 DESARROLLO TÉCNICO
Para el cumplimiento de este Trabajo de Grado se procedió a realizar estudios
de los laboratorios de la Universidad Simón Bolívar, bancos de pruebas existentes
en las diferentes marcas comerciales y entrevista a los estudiantes y profesores
de la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva Esparta para
conocer las necesidades que se le presentaban.
Al conocer que la Universidad no constaba con un Laboratorio de Control, se
procedió a realizar estudios teóricos del funcionamiento de los instrumentos y
dispositivos de control, se logro reforzar los conocimientos básicos y agregar ideas
para la realización de la estación de prueba para el laboratorio de Control de la
Universidad Nueva Esparta.
75
Al realizar los estudios teóricos se obtuvo como resultado que se necesitaban
los siguientes dispositivos para cubrir las necesidades de los estudiantes y
profesores de la Escuela de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nueva
Esparta: un PLC S7-200 CPU 224 SIEMENS, bombas de 12V/2.5A las cuales
cumbren la tarea necesaria, sensores de nivel conductivo (electro sonda), un
pulsador de parada de emergencia tipo hongo, un pulsador verde para encendido
del sistema, 12 indicadores de luz los cuales señalan las salidas del PLC ( 6 para
el nivel de los tanques y 6 para las salidas adicionales del PLC) y 11 switches (6
para el encendido manual de las bombas y 6 para las entradas adicionales del
PLC).
Para la configuración del PLC se utilizó primero el Software Siemens STEP 7
MicroWin 4.0, en este se elaboró varios programas de prácticas, luego se procedió
a simularlo en el S7-200, posteriormente se le cargó a la memoria del PLC. Este
Software es el encargado de controlar las variables del proceso, lo cual es
fundamental la confiabilidad y eficaz del programa.
La estructura de la estación se realizó mediante los conocimientos obtenidos
de los bancos de pruebas anteriormente estudiados. Al tener la estructura hecha
se procedió instalar los dispositivos e instrumentación que conformaría la estación
de prueba.
Se le realizó unas series de ensayos, que permitieron verificar errores.
Mediante esta verificación de errores se logró obtener un buen funcionamiento y la
eficiencia máxima de la estación.
Por último se logró implementar la estación, obteniendo el correcto
funcionamiento y programación de la estación de prueba.
76
La parte frontal de la estación está constituido por:
a) PLC
b) Fuente LOGO!Power de 24V/4A
c) Pantalla de visualización del proceso, en la cual contiene: 6 leds
indicadores para el sensor de nivel, 4 switches para el encendido y
apagado de las bombas manualmente.
La parte inferior de la estación está constituido por:
a) Dos Tanques de 2 litros cada uno.
b) Un tanque de 4 litros.
c) Pulsador de parada de emergencia.
d) Pulsador de encendido (verde)
e) Un switch de encendido y apagado de bomba de vaciado de los
tanques.
f) Seis sensores de Nivel conductivos
g) Cinco bombas de 12V/2.5A.
4.4 INTERFAZ HUMANO-MÁQUINA
La Interfaz Humano-Máquina es la que permite que el usuario u operador
del sistema de control, interactué con el proceso. Una adecuada Interface
Humano-Máquina busca, en primer lugar, obtener el estado del proceso de un
vistazo. Se persigue entonces:
Asegurar que el operador o usuario comprenda la situación
representada de una manera rápida.
Garantizar una confiabilidad al máximo.
77
Crear condiciones para la toma de decisiones correctas.
Los aspectos esenciales de una interfaz Humano-Máquina son:
1. Indicadores del estado del proceso.
Se utilizan generalmente: Diodos emisores de luz (LED), terminales de
video y impresoras.
2. Ejecución de acciones de mando
Estas se pueden realizar mediante pulsadores, interruptores,
potenciómetro, entre otros componentes.
La Interfaz Humano-Máquina de este Trabajo de Grado está diseñada por
un Panel de visualización y control del proceso en forma manual.
El proceso se visualizará mediante leds indicadores, en el cual se van a
observar el nivel de los tres tanques de almacenamiento y el encendido o apagado
de cada una de las bombas.
Para el control de las bombas manualmente cuentan con switches
(ON/OFF) para el encendido o apagado. Se dispone de seis switches de entradas
adicionales del PLC y de seis salidas adicionales visualizadas por leds
indicadores. En la figura 25 se muestra el modelo de la Interfaz Humano-Máquina.
78
Figura 25: Interfaz Humano-Máquina
Fuente: Los Autores
79
4.5 CABLE DE PROGRAMACIÓN S7-200
El medio de comunicación entre el PLC S7-200 y el computador es el cable
PPI (Point to Point Interface). En la figura 26 se muestra la manera de
comunicación entre el PLC y el PC y en la figura 27 se muestra el diagrama del
cable de comunicación siemens.
Figura 26. Comunicación Siemens
Fuente: Manual del Sistema de Automatización S7-200
80
Figura 27: Diagrama del Cable de Comunicación Siemens S7-200
Fuente: Los Autores
81
4.6 PRÁCTICAS PROPUESTAS
En este Trabajo de Grado se proponen 3 prácticas para simularla y ejecutarla
en la estación, las cuales son:
PRÁCTICA 1
Llenar los Tanques 1 y el Tanque 2 a partir del Tanque 3. Utilizando un
retardo de 10 segundos entre el llenado de los tanques 1 y 2.
Condiciones Iniciales:
a) Tanque 1 Vacio
b) Tanque 2 Vacio
c) Tanque 3 Lleno
En la figuras 28 y 29 se muestra la repuesta y explicación paso por paso de
la práctica 1.
82
Figura 28: Respuesta de la práctica 1 sin direccionamiento simbólico
Fuente: Los Autores
83
Figura 29 Respuesta de la práctica 1 con direccionamiento simbólico
Fuente: Los Autores
84
PRÁCTICA 2
Llenar el Tanque 3 a partir de los Tanques 1 y 2, realizándolo simultáneamente.
Condiciones Iniciales:
a) Tanque 1 Lleno
b) Tanque 2 Lleno
c) Tanque 3 Vacio
En la figuras 30y 31 se muestra la repuesta y explicación paso por paso de
la práctica 2.
85
Figura 30: Respuesta de la práctica 2 sin direccionamiento simbólico
Fuente: Los Autores
86
Figura 31: Respuesta de la práctica 2 con direccionamiento simbólico
Fuente: Los Autores
87
PRÁCTICA 3
Llenar los Tanques 1 y el Tanque 2 a partir del Tanque 3 y después de un
retardo de 10 segundos pasar el líquido al tanque 3.
Condiciones Iniciales:
a) Tanque 1 Vacio
b) Tanque 2 Vacio
c) Tanque 3 Lleno
En la figuras 32y 33 se muestra la repuesta y explicación paso por paso de
la práctica 3.
88
Figura 32: Respuesta de la práctica 3 sin direccionamiento simbólico
89
Fuente: Los Autores
90
Figura 33: Respuesta de la práctica 3 con direccionamiento simbólico
91
Fuente: Los Autores
92
CONCLUSIONES
En el proceso de la investigación realizada para la implementación de este
proyecto, se realizó una serie de estudio sobre el funcionamiento, calidad,
seguridad, eficacia y costos de los PLC, bombas y sensores comerciales
disponible actualmente en el mercado. Al conocer los instrumentos básicos e
indispensables para la elaboración de la estación.
Durante la investigación realizada para la implementación de este proyecto
se logró desarrollar el ingenio y la lógica, para aplicar los conocimientos adquiridos
a lo largo de la carrera, tomando en cuenta que se solucionaron una cantidad de
problemas, en los cuales se corrigieron los diferentes inconvenientes que
conllevaban a la puesta en marcha de la estación. Al seleccionar los instrumentos
de control a utilizar se procedió a elegir el PLC. En esta estación se utilizó un PLC
de la Empresa Siemens, modelo S7-200 CPU 224, lo cual cubría las necesidades
para del proceso y académicos.
Luego de haber seleccionado todas las instrumentaciones necesarias para
la elaboración de la estación, se procedió al cálculo de las dimensiones estimadas
para la implementación de la estructura del proyecto en el Laboratorio de Control e
Instrumentación. Después de haber analizado y estudiado los objetivos de la
implementación de la estación, finalizó en la construcción que sirviera para
desarrollar prácticas y proyectos relacionados con el área de automatización y
control industrial, alcanzando cumplir los requerimientos y objetivos planteados
desde el principio de la investigación.
Las etapas de pruebas de la estación, se realizo luego de haber ejecutado
la programación del PLC según el requerimiento del sistema a implementar. Se
obtuvo el resultado esperado. A lo largo de la programación del PLC se corrigió
una series de errores y fallos, al final se pudo corregir todos esos errores y obtener
la mayor eficaz en el funcionamiento de la estación.
93
El manejo, durabilidad y eficiencia de la estación dependerá del uso íntegro
que se debe aplicar al módulo y sus dispositivos.
El implementar una estación de prácticas en la Universidad Nueva Esparta,
sede Los Naranjos, Municipio el Hatillo Caracas – Venezuela, traerá consigo
diversas ventajas, entre las más relevante son: método de enseñanza y de
aprendizaje de una forma teórica y práctica, manipulación de procesos industriales
en pequeña escala, programación de PLC y visualización de Interfaz Hombre-
Máquina; y no solo a los profesores que dictan las clases sobre Automatización y
Control Industrial, sino que también a los estudiantes de la Escuela de Ingeniería
Electrónica, ya que este garantizaría la aplicación de los conocimientos obtenidos
en la parte teórica.
Con la realización de este proyecto se fortaleció nuestros conocimientos en
el área de:
Programación y función de los PLC.
Utilización de los diferentes tipos de sensores en el área de control
industrial.
Automatización de procesos industriales.
94
RECOMENDACIONES
Se recomienda estudiar, analizar y examinar los componentes utilizados en
la fabricación de cualquier equipo electrónico, ya que de ellos depende el correcto
funcionamiento y costo del mismo.
Se recomienda el uso de la estación para aquellos estudiantes de la
Escuela de Ingeniería Electrónica en la cátedra vinculadas con el Control
Industrial, Automatización de Procesos y Ingeniería Industrial, no solo de la
Universidad Nueva Esparta sino aquellos futuros alumnos que puedan ir a
observar con que equipos cuentan los laboratorios, para así tener un apoyo visual
de con que se van a enfrentar a lo largo de la carrera y en un futuro en una
Compañía Industrial.
95
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97
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electrónica de potencia (SIEP). Revisado el 10 de Noviembre del 2008.
Disponible en: http://www.labc.usb.ve/siep/websiep.html.
100
ANEXOS
101
ANEXO 1:
Modelo de Encuesta
Queremos saber su opinión con respecto de los laboratorios de las
Universidad Nueva Esparta.
Responda las preguntas simples marcando con una “X” solamente una opción.
1. ¿Considera usted que los laboratorios de la UNE cumplen con todos los
requerimientos de todas las materias de Ing. Electrónica?
2. ¿Con los laboratorios existentes puede hacer usted pruebas de Control por
PLC y manejo de Instrumentación Industrial?
3. ¿Considera usted que realizar pruebas en laboratorio fortalecerá sus
conocimientos?
102
4. ¿Le gustaría manejar los instrumentos industriales y el controlador PLC los
laboratorio de la UNE?
5. ¿La implementación de un Laboratorio de instrumentación Industrial en la
UNE sería beneficioso para usted?
103
ANEXO 2:
PROTOTIPO DE LA ESTACIÓN DE PRUEBA
104
ANEXO 3:
CONSTANCIA DE VALIDACIÓN DE LA ENCUESTA
105
106
