SIMULACIÓN DE LA PLANTA PASTEURIZADORA DEL …

SIMULACIÓN DE LA PLANTA PASTEURIZADORA DEL

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL

FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA,

CONTROL DIFUSO EN MATLAB Y SISTEMA SCADA PARA LAS

VARIABLES DE PH, FLUJO DE VAPOR EN LA CALDERA Y CAUDAL

DE LÍQUIDO DE PROCESO

Autor

Miguel Steven Herrera Gómez

Boris Adolfo Peralta Ramírez

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

Facultad Tecnológica

Ingeniería en Control y Automatización

Bogotá D.C. Agosto, 2021

SIMULACIÓN DE LA PLANTA PASTEURIZADORA DEL

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL

FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA,

CONTROL DIFUSO EN MATLAB Y SISTEMA SCADA PARA LAS

VARIABLES DE PH, FLUJO DE VAPOR EN LA CALDERA Y CAUDAL

DE LÍQUIDO DE PROCESO

Autor

Miguel Steven Herrera Gómez Cód.: 20182383013,

[email protected]

Boris Adolfo Peralta Ramírez Cód.: 20182383017,

[email protected]

Modalidad

Monografía

Presentado para optar al título de: Ingeniero en Control y Automatización

Director

Jorge Eduardo Porras Bohada

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

Facultad Tecnológica

Ingeniería en Control y Automatización

Bogotá D.C. Agosto, 2021

i

Dedicatoria

Este trabajo de grado es dedicado principalmente a nuestros padres, los cuales fueron parte

fundamental en todo el proceso educativo, apoyándonos en los triunfos y mucho más en los

momentos difíciles, del mismo modo en el transcurso de nuestras vidas académicas tuvimos la

fortuna de conocer personas muy valiosas que han influenciado nuestro crecer como

profesionales, como personas integras con valores y ética a la hora de ejercer nuestra profesión y

en nuestro diario vivir, hablamos sin distinciones de profesores y compañeros, estas personas

ahora son nuestros amigos, y siempre estarán en nuestros corazones. Dedicamos también este

trabajo de grado a nuestro director Jorge Eduardo Porras Bohada, el cual nos brindó el

conocimiento suficiente y apoyo durante todo el desarrollo del proyecto.

Boris Adolfo Peralta Ramírez

Miguel Steven Herrera Gómez

ii

Índice

Índice ............................................................................................................................................... ii Índice de Figuras ............................................................................................................................ iv Índice de Tablas ............................................................................................................................ viii Índice de Anexos ............................................................................................................................ ix Glosario ........................................................................................................................................... x

Lista de Abreviaturas y Siglas ...................................................................................................... xiii Resumen ....................................................................................................................................... xiv

1. Introducción ............................................................................................................................. 1 2. Planteamiento del problema .................................................................................................... 2 3. Justificación ............................................................................................................................. 3 4. Objetivos .................................................................................................................................. 4

4.1. Objetivo General ............................................................................................................... 4 4.2. Objetivos específicos ........................................................................................................ 4

5. Marco de referencia ................................................................................................................. 5 5.1. Antecedentes ..................................................................................................................... 5

5.1.1. Automatización y monitoreo de una planta para pasteurización de leche ................. 5

5.1.2. Diseño e implementación de un sistema de realidad virtual para una planta

pasteurizadora de leche ............................................................................................................ 5

5.1.3. Implementación de automatización de proceso de producción de leche ultra

pasteurizada ............................................................................................................................. 6

5.1.4. Simulación de procesos, una perspectiva en pro del desempeño operacional........... 6 5.1.5. Monitorización y control de maquetas de simulación de procesos industriales con

fines docentes .......................................................................................................................... 7 5.1.6. Estimación de la producción de biogás a partir de un modelo de simulación de

procesos7

5.1.7. Diseño de una estrategia de control difuso aplicada al proceso de ultra congelación

de alimentos ............................................................................................................................. 8

5.1.8. Sistema de control de pH para la etapa de dosificación de la planta pasteurizadora

ubicada en el laboratorio de industrial ..................................................................................... 8

5.1.9. Implementación de un sistema de control y supervisión multiplataforma industrial

para la caldera de proceso de pasteurización didáctica del laboratorio de control y

automatización de la universidad distrital francisco José de caldas, facultad tecnológica...... 9 5.1.10. Implementación de un controlador pi sobre la etapa de refrigeración de la planta

pasteurizadora ubicada en el laboratorio de industrial de la facultad tecnológica de la

universidad distrital francisco José de caldas ........................................................................ 10 5.2. Marco teórico .................................................................................................................. 11

5.2.1 OPC .............................................................................................................................. 11 5.2.2. Software de programación ........................................................................................... 12 5.2.3. Sistemas Scada ............................................................................................................ 14 5.2.4. Simulación ................................................................................................................... 14 5.2.5. Controlador lógico programable (PLC) ....................................................................... 15 5.2.6. Proceso de pasteurización de leche ............................................................................. 16

5.2.7. Control Difuso ............................................................................................................. 17

iii

5.3. Marco Legal .................................................................................................................... 18 5.3.1. Norma NTC 3458 .................................................................................................... 18 5.3.2. Norma ISO 9001 ...................................................................................................... 19

5.3.3. Norma ISO 10006 .................................................................................................... 19 5.3.4. Norma IEEE 830 ..................................................................................................... 19 5.3.5. Norma IEEE 1063 ................................................................................................... 19 5.3.6. Norma IEEE 315 ..................................................................................................... 19

6. Metodología ........................................................................................................................... 20

6.1. Diagrama de bloques de la solución. .............................................................................. 21

7. Resultados .............................................................................................................................. 23 7.1. Identificación de los modelos de las variables análogas ................................................. 23

7.2. Implementación los modelos de variables análogas ....................................................... 31 7.3. Desarrollo de controladores ............................................................................................ 35 7.4. Comunicación establecida por medio de los servidores OPC ........................................ 65

7.5. Implementación del sistema SCADA ............................................................................. 69 7.6. Pruebas realizadas ........................................................................................................... 74

8. Conclusiones y Recomendaciones ........................................................................................ 95

9. Bibliografía ............................................................................................................................ 96 10. Anexos ................................................................................................................................ 98

iv

Índice de Figuras

Figura 1. Planta pasteurizadora virtual. (Robayo, 2016) ................................................................. 5 Figura 2. Programa locaciones en ProModel. (Cantú, Guardado, & Balderas, 2016) .................... 6 Figura 3. Maqueta de depósitos final. (Mayorga, 2015) ................................................................. 7 Figura 4. Esquema del modelo en ASPEN PLUS. (Súarez, López, & Álvarez, 2019) ................... 8

Figura 5. Estructura de la etapa de dosificación. (Pérez, 2016) ...................................................... 9 Figura 6. Estructura física de la caldera. (Bolívar & Martínez, 2019) .......................................... 10

Figura 7. Estación de refrigeración. (Mancipe & Rivera, 2016) ................................................... 11 Figura 8. OPC RSLinx. (matrikonopc, 2021) ................................................................................ 12 Figura 9. Interfaz del software de desarrollo RSLogix 5000. (plc-hmi-scadas, s.f.) ..................... 13 Figura 10. Ejemplo de entorno de desarrollo Matlab. (mathworks, mathworks, 2021) ................ 13

Figura 11. Sistema Scada del software Rockwell. (rockwellautomation, 2020) ........................... 14 Figura 12. simulación de un proceso. (Belda, 2015) ..................................................................... 15

Figura 13. PLC Allen-Bradley 1769-L23E-QBFC1B. (plchardware, 2012) ................................ 16 Figura 14. Simulación de una planta pasteurizadora de leche. (Pino, 2019) ................................. 17 Figura 15. Composición de un controlador difuso. (Bernardo, 2010) ........................................... 17

Figura 16. Estructura del bloque Fuzzy Logic Toolbox de Matlab. (mathworks, mathworks, 2010)

....................................................................................................................................................... 18

Figura 17. Ciclo planteado para el modelo de desarrollo de prototipos de este proyecto. (Fuente:

elaboración propia) ........................................................................................................................ 20

Figura 18. Diagrama de bloques del funcionamiento de la simulación de la planta. (Fuente:

elaboración propia) ........................................................................................................................ 21

Figura 19. Respuesta al aplicar una señal paso al sistema de ácido. (Perez, 2016) ....................... 25 Figura 20. Respuesta al aplicar una señal paso al sistema de base. (Pérez, 2016) ........................ 26 Figura 21. Respuesta al aplicar una señal paso al sistema. (Bolívar & Martínez, 2019) .............. 28

Figura 22. Respuesta al aplicar una señal paso al sistema. (Mancipe & Rivera, 2016) ................ 30 Figura 23. Implementación del modelo de aumento de ácido en Simulink. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 31 Figura 24. Respuesta del modelo de aumento de ácido. (Fuente: elaboración propia) ................. 32

Figura 25. Implementación del modelo de aumento de base en Simulink. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 32

Figura 26. Respuesta del modelo de aumento de base. (Fuente: elaboración propia) ................... 33 Figura 27. Implementación del modelo de aumento de temperatura en Simulink. (Fuente:

elaboración propia) ........................................................................................................................ 33 Figura 28. Respuesta del modelo de temperatura de la caldera. (Fuente: elaboración propia) ..... 34 Figura 29. Implementación del modelo de disminución de temperatura en Simulink. (Fuente:

elaboración propia) ........................................................................................................................ 34 Figura 30. Respuesta del modelo de temperatura del enfriador. (Fuente: elaboración propia) ..... 35 Figura 31. Composición de un controlador difuso. (Bernardo, 2010) ........................................... 36 Figura 32. Tipos de funciones de pertenencia utilizadas en control difuso. (Lógica Difusa ( Fuzzy

Logic ), 2010) ................................................................................................................................ 37 Figura 33. Ecuación que describe el método del centroide. (Daniel Felipe Gordillo Gonzalez, 2021)

....................................................................................................................................................... 38

v

Figura 34. Esquemático del controlador del dosificador. (Fuente: elaboración propia) ............... 39 Figura 35. Funciones de pertenencia implementadas para la entrada del controlador del dosificador.

(Fuente: elaboración propia) .......................................................................................................... 40

Figura 36. Funciones de pertenencia implementadas para la salida acida del controlador del

dosificador. (Fuente: elaboración propia) ...................................................................................... 40 Figura 37. Funciones de pertenencia implementadas para la salida base del controlador del

dosificador. (Fuente: elaboración propia) ...................................................................................... 41 Figura 38. Reglas utilizadas para el controlador de PH en la caldera. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 41

Figura 39. Respuesta del controlador EPH VS PWMACIDO. (Fuente: elaboración propia) ....... 42 Figura 40. Respuesta del controlador EPH VS PWMBASE. (Fuente: elaboración propia) ......... 42

Figura 41. Respuesta del controlador generada por las reglas de control. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 43 Figura 42. Controlador de PH para el dosificador. (Fuente: elaboración propia) ......................... 43

Figura 43. Respuesta del sistema de control para el dosificador. (Fuente: elaboración propia) ... 44 Figura 44. Respuesta de las reglas de control para la entrada de 1.5 PH. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 45

Figura 45. Ecuaciones que restringen el funcionamiento de una función de membrecía triangular.

(Lógica Difusa ( Fuzzy Logic ), 2010) .......................................................................................... 45

Figura 46. Reglas de control aplicadas al control difuso del PH. (Fuente: elaboración propia) ... 46 Figura 47. Funciones de membresía relacionadas a la salida de base. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 46 Figura 48. Esquemático del controlador de la caldera. (Fuente: elaboración propia) ................... 49

Figura 49. Funciones de pertenencia implementadas para la entrada del controlador de la caldera.

(Fuente: elaboración propia) .......................................................................................................... 50 Figura 50. Funciones de pertenencia implementadas para la salida del controlador de la caldera.

(Fuente: elaboración propia) .......................................................................................................... 50 Figura 51. Reglas utilizadas para el controlador de flujo de vapor en la caldera. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 51 Figura 52. Respuesta del controlador Error Temperatura VS Angulo. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 51 Figura 53. Respuesta del controlador generada por las reglas de control. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 52 Figura 54. Controlador de flujo de vapor para la caldera. (Fuente: elaboración propia) .............. 52 Figura 55. Respuesta del sistema de control para la caldera. (Fuente: elaboración propia) .......... 53

Figura 56. Respuesta de las reglas de control para la entrada de 9 °C. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 53 Figura 57. Ecuaciones que restringen el funcionamiento de una función de membrecía triangular.

(Lógica Difusa ( Fuzzy Logic ), 2010) .......................................................................................... 54 Figura 58. Reglas de control aplicadas al control difuso del flujo de vapor. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 54 Figura 59. Funciones de membresía relacionadas a la salida. (Fuente: elaboración propia) ........ 55 Figura 60. Esquemático del controlador de la caldera. (Fuente: elaboración propia) ................... 58 Figura 61. Funciones de pertenencia implementadas para la entrada del controlador del enfriador.

(Fuente: elaboración propia) .......................................................................................................... 58

vi

Figura 62. Funciones de pertenencia implementadas para la salida del controlador del enfriador.

(Fuente: elaboración propia) .......................................................................................................... 59 Figura 63. Reglas utilizadas para el controlador de caudal de líquido de proceso en el enfriador.

(Fuente: elaboración propia) .......................................................................................................... 59 Figura 64. Respuesta del controlador Error Temperatura VS Angulo. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 60 Figura 65. Respuesta del controlador generada por las reglas de control. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 61

Figura 66. Controlador de caudal de líquido de proceso para el enfriador. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 61 Figura 67. Respuesta del sistema de control para el enfriador. (Fuente: elaboración propia)....... 62

Figura 68. Respuesta de las reglas de control para la entrada de -23 °C. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 62 Figura 69. Ecuaciones que restringen el funcionamiento de una función de membrecía triangular.

(Lógica Difusa ( Fuzzy Logic ), 2010) .......................................................................................... 63 Figura 70. Reglas de control aplicadas al control difuso del flujo de vapor. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 64

Figura 71. Funciones de membresía relacionadas a la salida. (Fuente: elaboración propia) ........ 64 Figura 72. Toolbox OPC. (Fuente: elaboración propia) ................................................................ 66

Figura 73. Monitor Softlogix. (Fuente: elaboración propia) ......................................................... 66 Figura 74. RSLinx Classic. (Fuente: elaboración propia) ............................................................. 67

Figura 75. Variables OPC lectura. (Fuente: elaboración propia) .................................................. 68 Figura 76. Variables OPC escritura. (Fuente: elaboración propia) ............................................... 68

Figura 77. Variables OPC en RSLogix5000. (Fuente: elaboración propia) .................................. 69 Figura 78. Diseño pantalla principal planta pasteurizadora. (Fuente: elaboración propia) ........... 70 Figura 79. Estación de dosificación completa. (Elaboración propia) ............................................ 70

Figura 80. Gráficas de tendencia del dosificador. (Fuente: elaboración propia) ........................... 71 Figura 81. Estación de calentamiento completa. (Fuente: elaboración propia)............................. 72

Figura 82. Gráficas de tendencia de la caldera. (Fuente: elaboración propia) .............................. 72 Figura 83. Estación de enfriamiento completa. (Fuente: elaboración propia)............................... 73 Figura 84. Gráficas de tendencia del enfriador. (Fuente: elaboración propia) .............................. 74 Figura 85. Planta pasteurizadora real. (Fuente: elaboración propia) ............................................. 75

Figura 89. Llenado caldera TK-001. (Fuente: elaboración propia) ............................................... 77 Figura 92. Protección válvula de seguridad. (Fuente: elaboración propia) ................................... 79 Figura 93. Activación válvula de alivio. (Fuente: elaboración propia) ......................................... 79

Figura 94. Encendido de unidad de refrigeración. (Fuente: elaboración propia) .......................... 80 Figura 95. Temperatura líquido refrigerante. (Fuente: elaboración propia) .................................. 80 Figura 96. Estación de dosificación en funcionamiento. (Fuente: elaboración propia) ................ 81 Figura 97. Ingreso ph proveedor y set point deseado. (Fuente: elaboración propia) .................... 81 Figura 98. Bajar el ph con ácido. (Fuente: elaboración propia) .................................................... 82

Figura 99. Respuesta PWM ácido y base. (Fuente: Elaboración propia) ...................................... 83 Figura 101. Respuesta del control de Ph bajando. (Fuente: elaboración propia) .......................... 84 Figura 102. Respuesta del control de Ph bajando en Simulink. (Fuente: elaboración propia) ...... 84 Figura 103. Subir el Ph con base. (Fuente: elaboración propia).................................................... 85

Figura 104. Respuesta PWM base y ácido. (Fuente: elaboración propia) ..................................... 85

vii

Figura 105. Respuesta base y ácido en Simulink. (Fuente: elaboración propia) ........................... 86 Figura 106. Respuesta del control de Ph subiendo. (Fuente: elaboración propia) ........................ 86 Figura 107. Respuesta del control de Ph subiendo en Simulink. (Fuente: elaboración propia) .... 87

Figura 108. Líquido en tanque de calentamiento TK-004. (Fuente: elaboración propia) ............ 87 Figura 109. Salida de vapor de la caldera. (Fuente: elaboración propia) ...................................... 88 Figura 110. Entrada de vapor proveniente de la caldera. (Fuente: elaboración propia) ................ 89 Figura 111. Apertura CV-105. (Fuente: elaboración propia) ........................................................ 89 Figura 112. Apertura CV-105 en Simulink. (Fuente: elaboración propia) .................................... 90

Figura 113. Respuesta del control de la caldera. (Fuente: elaboración propia) ............................. 90

Figura 114. Respuesta del control de la caldera en Simulink. (Fuente: elaboración propia) ........ 91 Figura 115. Salida de leche de la estación de dosificación. (Fuente: elaboración propia) ............ 91

Figura 116. Funcionamiento de la estación de refrigeración. (Fuente: elaboración propia) ......... 92 Figura 117. Etapa final del proceso de pasteurización. (Fuente: elaboración propia)................... 92 Figura 118. Apertura CV-104. (Fuente: elaboración propia) ........................................................ 93

Figura 119. Apertura CV-104 en Simulink. (Fuente: elaboración propia) .................................... 93 Figura 120. Respuesta del control del enfriador. (Fuente: elaboración propia) ............................ 94 Figura 121. Respuesta del control del enfriador en Simulink. (Fuente: elaboración propia) ........ 94

viii

Índice de Tablas

Tabla 1. Datos entregados por el fabricante del sensor "SKU: SEN016". (Perez, 2016) .............. 24 Tabla 2. Datos obtenidos en la linealización del sensor "SKU: SEN016". (Pérez, 2016) ............ 25 Tabla 3. Datos entregados por el fabricante del sensor "NTC de 50KΩ". (Bolívar & Martínez, 2019)

....................................................................................................................................................... 27

Tabla 4. Datos obtenidos en la linealización del sensor " NTC de 50KΩ". (Bolívar & Martínez,

2019) .............................................................................................................................................. 27 Tabla 5. Datos entregados por el fabricante del sensor "NTC de 10KΩ". (Mancipe & Rivera, 2016)

....................................................................................................................................................... 29 Tabla 6. Datos obtenidos en la linealización del sensor " NTC de 10KΩ". (Mancipe & Rivera,

2016) .............................................................................................................................................. 30

Tabla 7. Variables lingüísticas planteadas para la entrada del dosificador. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 39

Tabla 8. Variables lingüísticas planteadas para la salida de ácido del dosificador. (Fuente:

elaboración propia) ........................................................................................................................ 39 Tabla 9. Variables lingüísticas planteadas para la salida de ácido del dosificador. (Fuente:

elaboración propia) ........................................................................................................................ 39 Tabla 10. Variables lingüísticas de entrada aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 45

Tabla 11. Variables lingüísticas de salida aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia) 47

Tabla 12. Variables lingüísticas planteadas para la entrada de la caldera. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 48

Tabla 13. Variables lingüísticas planteadas para la salida de la caldera. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 49 Tabla 14. Variables lingüísticas de entrada aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 54 Tabla 15. Variables lingüísticas de salida aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia) 55

Tabla 16. Variables lingüísticas planteadas para la entrada del enfriador. (Fuente: elaboración

propia) ............................................................................................................................................ 57

Tabla 17. Variables lingüísticas planteadas para la salida del enfriador. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 57

Tabla 18. Variables lingüísticas de entrada aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia)

....................................................................................................................................................... 63 Tabla 19. Variables lingüísticas de salida aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia) 64 Tabla 20. Variables OPC. (Fuente: elaboración propia) ............................................................... 67

ix

Índice de Anexos

10.1. Anexo 1 - Comunicación OPC ....................................................................................... 98 10.2. Anexo 2 – Cliente Site Edition ..................................................................................... 109 10.3. Anexo 3 – Diagrama P&ID .......................................................................................... 115 10.4. Anexo 4 – Programa dosificación ................................................................................. 123

10.5. Anexo 5 – Programa caldera ......................................................................................... 123 10.6. Anexo 6 – Programa enfriador ...................................................................................... 123 10.7. Anexo 7 – Programa preliminares ................................................................................ 123

x

Glosario

Concepto Explicación breve y detallada del concepto

Actuador Dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica

en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre

un proceso automatizado.

Bomba Máquina que se usa para extraer, elevar o impulsar líquidos y gases de un

lugar a otro.

Caldera La caldera es una máquina que produce vapor al calentar agua por medio

del calor generado por el consumo de un combustible no nuclear, o por

electricidad de resistencia.

Caudal Caudal es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto

por unidad de tiempo.

Centroide Método de defuzzificación del centroide se transforma la salida difusa en

un número real el cual es la coordenada equis (x) del centro de gravedad de

tal conjunto difuso de salida.

Control Un sistema de control es un conjunto de dispositivos encargados de

administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de otro sistema,

con el fin de reducir las probabilidades de fallo y obtener los resultados

deseados.

Defuzzificación Es el proceso de obtener un valor cuantificable en Lógica clásica, dados

conjuntos difusos y sus correspondientes grados de membresía.

Difuso Que carece de claridad o precisión o se percibe de esta forma, generalmente

por estar lejos o por ser muy extenso.

Dosificador Aparato o mecanismo que sirve para suministrar cantidades determinadas

de un producto o sustancia.

Enfriador Se entiende por enfriado el que enfría, congela, hiela y refresca.

Flujo Movimiento de un fluido.

Función de

Transferencia

Es un modelo matemático que, a través de un cociente, relaciona la

respuesta de un sistema con una señal de entrada o excitación.

xi

Fuzzificacion Es un modelo matemático que, a través de un cociente, relaciona la

respuesta de un sistema con una señal de entrada o excitación.

HMI Es el interfaz entre el proceso y el operario; se trata básicamente de un panel

de instrumentos del operario.

Lógica Difusa Es una lógica paraconsistente que identifica fracciones de valores

verdaderos entre 0 y 1 de forma gradual.

Machine Edition Es una HMI versátil que proporciona una poderosa solución para

dispositivos de interfaz hombre-máquina.

Mamdani Es el más usado en aplicaciones, dado que tiene una estructura muy simple

de operaciones “mín-max”.

Matlab Es un sistema de cómputo numérico que ofrece un entorno de desarrollo

integrado con un lenguaje de programación propio.

Método de

inferencia

Evalúa que regla (o reglas) del sistema se activará ante determinado valor

de entrada.

OPC Es una tecnología de comunicación con una arquitectura de cliente y

servidor. Una aplicación actúa de servidor proporcionando datos y otra

actúa como cliente leyéndolos o manipulándolos.

Pasteurización Procedimiento que consiste en someter un alimento, generalmente líquido,

a una temperatura aproximada de 80 grados durante un corto período de

tiempo enfriándolo después rápidamente, con el fin de destruir los

microorganismos sin alterar la composición y cualidades del líquido.

PH Coeficiente que indica el grado de acidez o basicidad de una solución

acuosa.

Proceso Procesamiento o conjunto de operaciones a que se somete una cosa para

elaborarla o transformarla.

Reglas de control Una regla de control es un criterio que nos permite decidir si el sistema

analítico está controlado o no.

RS Linx Software de comunicación para controladores lógicos programables.

RS Logix 5000 Es una herramienta muy amigable utilizada para la configuración y

programación de los controladores Logix.

Scada Es una herramienta de automatización y control industrial utilizada en los

procesos productivos que puede controlar, supervisar, recopilar datos,

xii

analizar datos y generar informes a distancia mediante una aplicación

informática.

Sensor Dispositivo que capta magnitudes físicas (variaciones de luz, temperatura,

sonido, etc.) u otras alteraciones de su entorno.

Simulación Es una herramienta muy potente para la evaluación y el análisis de los

sistemas nuevos y los ya existentes. Permite anticiparse al proceso real,

validarlo y obtener su mejor configuración.

Site Edition Permite monitorear y controlar el proceso de fabricación en todos los

niveles, desde una única estación de operador hasta aplicaciones de

servidor/cliente distribuido y multiusuario.

Temperatura Grado o nivel térmico de un cuerpo o de la atmósfera.

Términos

lingüísticos

Es una variable cuyos posibles valores son palabras y pueden ser

representados mediante conjuntos difusos.

Válvula

Proporcional

Las válvulas proporcionales proporcionan respuestas rápidas, se utilizan

con grandes presiones, y pueden controlar grandes caudales.

xiii

Lista de Abreviaturas y Siglas

Sigla/Abreviatura Significado

DNP Departamento Nacional de Planeación

UNESCO Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la

Cultura

PLC

SCADA

DLL

OPC

RTU

HMI

OEM

MTU

ME

SE

PC

PH

ISO

IEEE

REF

Controlador lógico programable

Supervisión, Control y Adquisición de Datos

Dynamic Link Library

Open Protocol Communication

Remote Terminal Units

Human Machine Interface

Original Equipment Manufacturer

Maximum Transmission Unit

Machine Edition

Site Edition

Personal Computer

Potencial Hidrógeno

Internacional Organization for Standardization

Institute of Electrical and Electronics Engineers

Referencia

xiv

Resumen

Este trabajo de grado se presenta en el contexto de plantear alternativas que permitan seguir con el

estudio de procesos industriales a nivel de su instrumentación, automatización y control, en el

marco de una emergencia sanitaria mundial como la que se vive actualmente con el Covid 19, con

lo cual se debe redefinir los procesos de aprendizaje de la educación superior, ya que se restringe

el libre acceso a los espacios educativos como laboratorios y aulas de clase. Del mismo modo, en

el desarrollo de un profesional en el campo de la automatización y el control es fundamental que

este alineada la parte teórica con la práctica, de modo que surge la necesidad de desarrollar sistemas

que puedan simular procesos industriales, como el de la pasteurización de la leche, para poder

continuar con el aprendizaje sin necesidad de acceder físicamente a los prototipos y plantas.

Como solución a la necesidad antes expuesta, se presenta la simulación de la planta pasteurizadora

del laboratorio de Electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad

Tecnológica, en la cual se realiza una previa investigación de los trabajos de grado realizados

anteriormente sobre esta planta, para poder obtener los modelos matemáticos de las variables de

PH en el dosificador, flujo de vapor en la caldera y caudal de líquido de proceso, para ser

implementados en Matlab y desarrollar un control difuso del tipo Mamdani para cada una de las

variables mencionadas, de tal manera que se establece una comunicación OPC por medio del

servidor de RSLinx Classic, entre Matlab y el PLC virtual Softlogix, en donde se realizan los

programas del funcionamiento de la planta. Para visualizar la respuesta de los controladores y los

datos de operación, se implementa un sistema SCADA en Factory Talk View.

Finalmente se presentan los resultados obtenidos soportados por imágenes y tablas del

funcionamiento de cada etapa de la planta, así como el funcionamiento de los controladores sobre

las variables anteriormente mencionadas, validando de esta manera su correcto y óptimo

funcionamiento.

Palabras claves: Control Difuso, Procesos Industriales, Simulación, Sistema SCADA.

1

1. Introducción

Ante una situación de emergencia sanitaria mundial como la que se vive actualmente con la

pandemia del Covid19 en la cual se debe restringir la libre circulación de la gente para poder

contrarrestar la propagación del virus, es evidente que afecta y cambia la forma de vivir, y de la

mano se crean retos en todas las materias, pero una de las más afectadas es la educación superior.

De modo que se imposibilita la educación presencial y el acceso a los espacios académicos como

laboratorios, aulas, teatros, entre otros, haciendo complicada la formación integral y de calidad de

profesionales. Del mismo modo, a nivel de la ingeniería, los procesos industriales avanzan cada

día en el mundo y de la mano también deben avanzar los desarrollos tecnológicos y estudios que

se hacen en esta materia, es por esto que se debe contar con herramientas que permitan el libre

desarrollo del conocimiento sin tener la necesidad de acceder físicamente a las plantas de procesos

industriales que se encuentran en claustros educativos o empresas.

Es por esto que el objetivo de este proyecto es aportar al campo del control y automatización de

los procesos industriales, como herramienta didáctica para el aprendizaje de las diferentes etapas

del proceso de pasteurización de la leche, mediante la simulación de la planta pasteurizadora del

laboratorio de Electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad

Tecnológica, en la cual se desarrolla un control difuso del tipo Mamdani para las variables de Ph

en el dosificador, flujo de vapor en la caldera y caudal de líquido de proceso en la etapa final que

es la del enfriador y por último, se diseña e implementar un sistema SCADA para para monitorear,

controlar y obtener los datos de operación y así visualizar la respuesta del control y de toda la

planta. Para ello se establece una comunicación por medio de un servidor OPC el cual sirve para

enviar y recibir datos entre Matlab, que es donde se desarrollan los controladores difusos, y el PLC

virtual Softlogix de Rockwell.

La estructura del documento empieza por el planteamiento del problema al cual se quiere atacar,

luego pasa por una breve, pero concisa justificación. Seguido a esto se presentan los objetivos del

trabajo de grado, luego se exponen los marcos de referencias en el cual se puede encontrar algunos

antecedentes de investigaciones similares, el marco teórico y las leyes actuales que rigen la

realización de este proyecto. Del mismo modo, se presenta la metodología implementada, para

llegar a los resultados obtenidos, el cual es el grueso del documento, ya que en este se muestran la

identificación e implementación de los modelos matemáticos, la comunicación OPC, el desarrollo

de los controladores difusos, el diseño e implementación del sistema SCADA y las pruebas

realizadas. Finalmente se presentan algunas conclusiones y recomendaciones que servirán para

futuros estudios o mejoras.

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2. Planteamiento del problema

Actualmente el país y el mundo en general atraviesa por una situación compleja de salud sanitaria

debido a la pandemia del Sars-cov2 o más conocido como Covid19, ante esta etapa surgen

múltiples retos a nivel nacional, entre estos, uno de los más importantes es la educación,

puntualmente la educación superior, la cual según el marco normativo colombiano constituido

principalmente por la ley 30 de 1992 en su artículo sexto tiene por objetivos principales:

profundizar en la formación integral de los colombianos, trabajar por la creación, el desarrollo y

la transmisión del conocimiento, prestar a la comunidad un servicio con calidad. (DNP, 2018).

Estos objetivos son, en general, para todas las instituciones de educación superior, ya sean públicas

o privadas, entonces garantizar estas metas se convierte en un gran reto debido a la imposibilidad

de la educación superior de manera presencial. Es por esto que se debe acoger estrategias para el

desarrollo educativo de manera remota, como por ejemplo con las clases virtuales asistidas por el

cuerpo docente.

Ahora bien, centrando el tema en la rama del saber de la ingeniería, se hace evidente que estos retos

se expanden más allá de las clases virtuales, ya que para poder brindar una formación integral y de

calidad se requiere del uso de otros recursos, tales como, las visitas técnicas y los laboratorios. Es

por esto que este trabajo final de grado se centraliza en la importancia del acceso al conocimiento

de procesos industriales, a nivel de su instrumentación, control y automatización, como base

fundamental para el desarrollo del conocimiento de la ingeniería electrónica y sus distintas ramas

de estudio.

Entonces en la actualidad se generan muchos inconvenientes que impiden conocer y estudiar los

procesos industriales de manera detallada, ya sea por falta de recursos económicos para acceder a

estos, por limitaciones físicas, geográficas o por razones que se salen de las manos, como lo que se

vive en hoy en día con la pandemia, lo cual limita la posibilidad de movilizarse en las ciudades y

del mismo modo impide, en cierta manera, el acceso a conocer los procesos industriales como el

de la pasteurización de leche. Este proceso industrial se implementa en varias industrias de

producción nacionales, pero también se estudia y conoce en diversos claustros educativos del país,

en el cual se realizan prototipos de desarrollo, control y automatización del proceso de

pasteurización de leche, estos estudios actualmente están parados debido al impedimento de acceso

físico a las instalaciones educativas del país (Velasquez & Ortega, 2014).

En consecuencia, surge la importancia de desarrollar un sistema que permita simular el proceso de

pasteurización de leche, en el cual se muestre de manera detallada las etapas del proceso, la

instrumentación requerida, el control y automatización implementados en el proceso y además que

fortalezca las practicas haciendo uso de una estrategia de control moderno como lo es el control

difuso, esto con el fin de que los estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas,

Facultad Tecnológica e interesados que no tienen la posibilidad de acceder físicamente a este

proceso lo hagan de manera simulada.

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3. Justificación

El modelo de investigación y educación superior que se imparten actualmente en el país no es

suficiente para el desarrollo de una formación integral y de calidad, ya que se ve fuertemente

afectado por crisis económicas, sociales o de carácter sanitario, esto genera una carencia de

desarrollo e innovación en diferentes campos del saber, del mismo modo, si bien año tras año existe

un crecimiento de la cobertura en el acceso a la educación superior, según la UNESCO, estos cupos

son inequitativos ya que favorecen a los sectores de mayores ingresos y zonas urbanas. De tal

manera que, se debe facilitar la forma en que las personas adquieren el conocimiento de manera

práctica, y desde cualquier lugar con conectividad en el territorio nacional. Como en este caso que

se hace necesario el acceso al conocimiento de los procesos industriales, específicamente el proceso

de pasteurización de la leche sin necesidad de invertir gran cantidad de capital y con la posibilidad

que cualquier persona con un computador pueda conocer de las etapas del proceso, interactuar con

ellas y estudiarlas (Bellei, Poblete, Sepúlveda, Orellana, & Abarca, 2013).

El área de estudio de los procesos industriales se puede fortalecer con la implementación de un

sistema capaz de simular todo el proceso de una planta pasteurizadora de leche, en el cual se aplique

un control difuso para controlar la planta y se pueda visualizar su respuesta en un sistema SCADA,

el cual, debe contar con toda la instrumentación propia de la planta pasteurizadora de leche. Lo

anterior con el objetivo de tener una herramienta de simulación que permita visualizar la planta y

su funcionamiento como si fuera de manera física, para que se puedan reforzar conceptos y generar

nuevos desarrollos e innovaciones. Inicialmente este sistema apoyará las labores educativas de los

estudiantes de Ingeniería en Control y Automatización de la Facultad Tecnológica de la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas, pero se podría expandir a toda la comunidad

educativa y en general.

Como consecuencia se ha identificado en diferentes autores y estudios que se desarrollan prototipos

de plantas de procesos industriales, tal como del proceso de pasteurización de la leche, pero estos

carecen de acceso diferente al medio físico, es decir que, si el claustro educativo donde se encuentra

el prototipo se encuentra cerrado, no se pueden realizar prácticas de laboratorio ni estudios

experimentales con la planta. Por otro lado, existen herramientas de realidad virtual sobre el

proceso de pasteurización de la leche como el de (Robayo, 2016). Pero esta solo le permite al

usuario acceder de manera virtual a las etapas de la planta, básicamente es como si se realizara un

recorrido virtual por la planta, pero no les permite manipular las variables físicas e implementar

controladores.

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4. Objetivos

4.1. Objetivo General

Simular la planta pasteurizadora del laboratorio de Electrónica de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, utilizando los modelos de variables análogas

desarrollados en trabajos de grado anteriores y proponer un control difuso y un sistema SCADA

para las variables de PH, flujo de vapor en la caldera y caudal de líquido de proceso.

4.2. Objetivos específicos

- Identificar los modelos de las variables análogas de la planta pasteurizadora del laboratorio

de Electrónica en base a trabajos de grado anteriormente desarrollados.

- Implementar en Simulink el modelo de variables análogas y establecer la comunicación

entre Matlab y el PLC de simulación Softlogix por medio de servidores OPC.

- Diseñar un control difuso del tipo Mamdani en Matlab que permita controlar las variables

de PH en el dosificador, flujo de vapor en la caldera y caudal de líquido de proceso en el

enfriador, los cuales hacen parte del proceso simulado de pasteurización de leche.

- Implementar el sistema SCADA en la plataforma de Rockwell Factory Talk View Site

Edition, para monitorear, controlar y obtener los datos de operación de proceso simulado

de la planta pasteurizadora de leche.

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5. Marco de referencia

5.1. Antecedentes

5.1.1. Automatización y monitoreo de una planta para pasteurización de leche

En la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa (Arequipa – Perú) se presentó este

proyecto en el que se realiza la respectiva evaluación del pasteurizador con su sistema completo

automatizado por el PLC S7-1200 de Siemens y monitoreado desde un computador por un sistema

SCADA desarrollado en el programa LabVIEW. Este proyecto es similar al que se presenta en este

trabajo de grado ya que expone toda la teoría de automatización de procesos y utiliza un PLC para

el control de la planta, con la diferencia en que el PLC utilizado en este proyecto es en simulación.

Aparte también se realiza la supervisión de la planta pasteurizadora de leche por medio de un

sistema SCADA, tal como se propone realizar en este trabajo de grado, pero todo con acceso físico

a la planta a diferencia de este proyecto que todo es en simulación (Cuno, 2015).

5.1.2. Diseño e implementación de un sistema de realidad virtual para una planta

pasteurizadora de leche

En la Universidad de la Salle (Bogotá – Colombia) se desarrolló este trabajo de grado el cual

describe el procedimiento y diseño para realizar una plataforma de realidad virtual basada en una

planta pasteurizadora de leche, incluyendo la interfaz de usuario mediante periféricos digitales y

etapas del proceso en la industria alimenticia de la leche como se puede observar en la figura 1. La

última etapa del proyecto consiste en incluir el periférico Óculos DK2 para ejecutar La Plataforma

de Realidad Virtual, en el cual el usuario sentirá la sensación de estar realmente dentro de la

empresa que tienen plantas pasteurizadoras de leche, y poder hacer un recorrido virtual conociendo

cada etapa del proceso. Este desarrollo evidentemente tiene similitud con el proyecto acá

propuesto, porque es completamente simulado, en el cual se dan a conocer todas las etapas del

proceso de la planta pasteurizadora de leche y trata de que el usuario asimile las características y

funcionamiento sin necesidad de estar físicamente en la plata, tal como se propone en este trabajo

de grado (Robayo, 2016).

Figura 1. Planta pasteurizadora virtual. (Robayo, 2016)

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5.1.3. Implementación de automatización de proceso de producción de leche ultra

pasteurizada

En la Universidad Tecnológica de Bolívar (Cartagena – Colombia) se publicó esta tesis en la cual

se automatizó un proceso de ultra-pasteurización, para mejorar la confiabilidad del proceso, tanto

en un buen funcionamiento de producción secuencial y continua, como una fácil detección de fallas

durante el trabajo, del mismo modo, se aplicó un sistema de control automatizado PID para el

procesamiento de la leche ultra-pasteurizada. Aparte se implementó un tablero de control con un

autómata y HMI incorporado (OPLC) el cual concentró todas las variables físicas y las señales de

los actuadores presentes en el proceso de producción de leche. Como se puede observar este

proyecto aplica las teorías de control en especial la de PID, a diferencia del presente trabajo de

grado el cual se pretende desarrollar aplicando control difuso, del mismo modo se utiliza una HMI

para el monitoreo de las variables físicas de la planta, tal como se realiza en este proyecto de grado

(Hernández, Llerena, & Morris, 2013).

5.1.4. Simulación de procesos, una perspectiva en pro del desempeño operacional

En la Universidad Autónoma de Coahuila (México) se publicó este artículo, en el que aporta

diferentes aspectos de interés para la Ingeniería en general ya que se presenta la fundamentación

del concepto de simulación y su vinculación como herramienta del proceso, el análisis de las

alternativas de software comercial existente y finalmente presenta un modelo de mejoramiento del

desempeño operacional basado en la utilización del software de simulación ProModel. Este trabajo

aporta información sobre la importancia de la simulación de procesos y sus beneficios, es evidente

que ayuda a la investigación realizada en el presente trabajo de grado. (Cantú, Guardado, &

Balderas, 2016)

Figura 2. Programa locaciones en ProModel. (Cantú, Guardado, & Balderas, 2016)

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5.1.5. Monitorización y control de maquetas de simulación de procesos industriales

con fines docentes

En la Universidad Politécnica de Cartagena (España) se presentó esta tesis de grado en la que

utilizan el laboratorio de Instrumentación Electrónica que cuenta con dos tipos de maquetas

parcialmente sensorizadas a las cuales se añadirán elementos que permitan su completa

automatización y monitorización. 1. Una maqueta de automatización de procesos discretos. En la

cual se podrá controlar tanto variables digitales como variables analógicas con unos sensores

sencillos estudiados en la asignatura. 2. Una maqueta de proceso continuo con intercambio de

fluido entres tres tranques. En la se podrá hacer un control de nivel, control de caudal, control de

temperatura, control de presión en la tubería. Esta tesis aporta información sobre la simulación d

procesos industriales y el control de variables físicas, de manera que tiene ayuda a la investigación

realizada en el presente trabajo de grado. (Mayorga, 2015)

Figura 3. Maqueta de depósitos final. (Mayorga, 2015)

5.1.6. Estimación de la producción de biogás a partir de un modelo de simulación de

procesos

En el Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (Santa Clara, Cuba) se presentó

este artículo que tiene como objetivo la simulación del proceso de digestión anaeróbica para estimar

la producción de biogás mediante el software ASPEN PLUS. El Modelo de simulación de procesos

(MSP) desarrolla las etapas de la digestión anaeróbica mediante bloques operativos admitiendo la

composición de cualquier sustrato y condiciones de operación. El MSP se compone en total de 46

reacciones químicas desarrolladas por separado según la etapa y complejidad. La simulación fue

validada con un valor experimental de producción de biogás y un modelo analítico para comprobar

su comportamiento en el tiempo. Este trabajo aporta porque resalta la importancia de simular

procesos industriales, con lo cual se puede observar características importantes antes de llegar a la

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implementación física, por ende, contribuye de buena forma al trabajo de grado acá presentado.

(Súarez, López, & Álvarez, 2019)

Figura 4. Esquema del modelo en ASPEN PLUS. (Súarez, López, & Álvarez, 2019)

5.1.7. Diseño de una estrategia de control difuso aplicada al proceso de ultra

congelación de alimentos

En la Revista Chilena de Ingeniería se publica este trabajo en el cual se tratan separadamente los

lazos de control de velocidad y temperatura, se reconfiguran y entonan los lazos existentes, para

luego desarrollar un controlador difuso tipo Takagi-Sugeno que permite ajustar el valor de consigna

de la temperatura del túnel de congelación en función al producto y las condiciones de entrada del

alimento al proceso. El comportamiento del sistema se comprueba mediante la simulación del

mismo. Este trabajo aporta sustancialmente al trabajo de grado acá desarrollado, ya que

implementan una técnica de control difuso y comprueban su funcionamiento en simulación, tal

como se realiza en el presente documento. (Garcia, y otros, 2017).

Las investigaciones desarrolladas propias de la planta pasteurizadora que es objeto de estudio en

este proyecto, se relacionan a continuación con tres trabajos de grado, en los cuales se desarrolla

el modelado de cada etapa de la planta.

5.1.8. Sistema de control de pH para la etapa de dosificación de la planta

pasteurizadora ubicada en el laboratorio de industrial

En la Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Bogotá – Colombia) se presentó este proyecto

en el que se desarrolló un sistema de control de pH para etapa de dosificación de la planta

pasteurizadora ubicada en el laboratorio de industrial. Como parte fundamental se desarrolló la

utilización de una técnica de control moderna, optando por la aplicación de un control Difuso. Este

trabajo de grado se realizó en cinco fases, la primera fase se llevó a cabo el diseño estructural e

instrumental electrónico de la etapa de dosificación, segunda fase desarrollo de identificación del

modelo matemático de la planta, tercera fase el desarrollo de la programación del PLC, la

aplicación del algoritmo del control PID en tiempo discreto y el control Difuso, la cuarta fase es la

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verificación del correcto desempeño del control difuso que cuenta con tres prácticas de laboratorios

y por último la implementación del sistema SCADA donde el usuario visualice y manipule las

variables del sistema por medio de una pantalla HMI. Claramente en este trabajo de grado tiene

similitud con el presentado en este documento, ya que maneja la misma estructura de desarrollo

que se pretende usar, se aplica un control a la entrada, se maneja la programación en el PLC y luego

se manipulan y visualizan las variables de la planta en un sistema SCADA. Por otro lado, brinda

información suficiente para una de las etapas del proceso de pasteurización de leche como lo es la

etapa de dosificación, la cual también estará presente en el proyecto de grado presente. (Perez,

2016).

Figura 5. Estructura de la etapa de dosificación. (Pérez, 2016)

5.1.9. Implementación de un sistema de control y supervisión multiplataforma

industrial para la caldera de proceso de pasteurización didáctica del laboratorio

de control y automatización de la universidad distrital francisco José de caldas,

facultad tecnológica.

Del mismo modo, en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Bogotá – Colombia) se

presentó un proyecto en este caso se presentó una planta pasteurizadora didáctica modular, la cual

usa RsLogix5000 para el control y supervisión de variables como temperatura, nivel, presión, pH

entre otras; uno de los módulos que la integran es la caldera, encargada de generar vapor a 40 PSI

140°C, en este proyecto se realizó el acondicionamiento de los sensores y de los equipos

actuadores: bomba, resistencia y válvula manual tipo aguja que permite la salida de vapor, para

ella se implementaron mecanismos de acople para convertirla en una válvula proporcional de

apertura controlada, igualmente el tablero de control tuvo una reestructuración para integrar el

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SoftPLC1 V1.0 y la pantalla HMI (Human machine interface), por último se cambió el tanque de

reserva de agua a uno de mayor capacidad y robustez. Es evidente que este trabajo de grado tiene

similitud con el presentado en este documento, ya que maneja información suficiente para una de

las etapas del proceso de pasteurización de leche como lo es la etapa de la caldera, la cual también

estará presente en el proyecto de grado desarrollado, con la diferencia que se realiza de forma

simulada. (Bolivar & Martinez, 2019).

Figura 6. Estructura física de la caldera. (Bolívar & Martínez, 2019)

5.1.10. Implementación de un controlador pi sobre la etapa de refrigeración de la

planta pasteurizadora ubicada en el laboratorio de industrial de la facultad

tecnológica de la universidad distrital francisco José de caldas

Por último, en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Bogotá – Colombia) se presentó

un proyecto en el cual se explica que la tarea principal que debe realizar la etapa de refrigeración

es llevar un producto determinado de una temperatura inicial a una temperatura final mucho más

baja que la anterior, en un instante de tiempo muy corto. Para lograrlo se ha diseñado un sistema

hidráulico que permite desplazar el producto a través de dispositivos de disipación térmica

dispuestos en una unidad de refrigeración. Sumado a esto electrónicamente se modifica el caudal

del sistema hidráulico para lograr un control sobre la temperatura del producto. Por último, pero

no menos importante, los sistemas de control y de supervisión fueron implementados de tal manera

que cumplieran con estándares industriales, haciendo que los estudiantes que realicen prácticas

sobre la planta identifiquen los diferentes sistemas que podrían encontrar en una industria. Se puede

observar que este trabajo de grado tiene similitud con el presentado en este documento, ya que

maneja información suficiente para una de las etapas del proceso de pasteurización de leche como

lo es la etapa de refrigeración, la cual también hará parte del proyecto de grado desarrollado.

(Mancipe & Rivera, 2016).

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Figura 7. Estación de refrigeración. (Mancipe & Rivera, 2016)

5.2. Marco teórico

Para realizar este proyecto se tuvo en cuenta el proceso de pasterización de la leche, especialmente

el funcionamiento de la planta pasteurizadora de leche que se encuentra en el laboratorio de

electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica el cual está

dividida en tres partes Caldera, Enfriador y Dosificador, adicionalmente se tuvo en cuenta los

conocimientos en herramientas de software como Matlab y RSLogix 5000, para la comunicación

se utilizó el servidor OPC de RSLinx Rockwell y por último se utilizaron conceptos, métodos y

aplicaciones del control difuso de Mamdani el cual es el método utilizado en la simulación de las

plantas. Por lo tanto, fue necesario investigar estos conceptos para ser utilizados más adelante.

5.2.1 OPC

OPC es una tecnología de comunicación con una arquitectura de cliente y servidor. Una aplicación

actúa de servidor proporcionando datos y otra actúa como cliente leyéndolos o manipulándolos.

Este permite el intercambio de información entre múltiples dispositivos y aplicaciones de control

sin restricciones o límites impuestos por los fabricantes. Un servidor OPC puede estar

comunicándose continuamente con los PLCs de campo, RTUs, estaciones HMI u otras

aplicaciones. Aunque el hardware y el software provengan de diferentes marcas comerciales, el

cumplimiento del estándar OPC posibilita la comunicación continua en tiempo real.

(kepserverexopc, 2019)

Para el desarrollo del proyecto se utilizó Rockwell Automation RSLinx 2.10 es un servidor OPC,

lo que significa que cualquier cliente OPC debería poder intercambiar datos con este servidor. El

servidor OPC está disponible solo con la versión OEM o la versión completa, por lo que la versión

lite de RSLinx no tiene el servidor OPC incluido. El servidor RSLinx OPC es un tipo de servidor

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en proceso, lo que significa que debe cargar una DLL para comunicarse con él. Los servidores OPC

RSLinx 2.0 a 2.20 solo admiten la capacidad de exploración en los PLC de la serie Control Logix

5000. Se pueden utilizar otros PLC Allen Bradley en el servidor OPC agregando manualmente las

direcciones que se van a ver. (knowledge, 2020)

Figura 8. OPC RSLinx. (matrikonopc, 2021)

5.2.2. Software de programación

Un software de programación es el conjunto de utilidades y herramientas utilizadas para el

desarrollo, programación o creación de programas o aplicaciones informáticas por parte de los

programadores. Dichas utilidades y herramientas pueden hacer uso de diversos lenguajes de

programación y metodologías de desarrollo a través de, como mínimo, un editor de texto y un

compilador. (DMARTIN, 2020)

El Software RSLogix 5000/ Studio 5000 es una herramienta muy amigable utilizada para la

configuración y programación de los controladores Logix (ControlLogix, CompactLogix,

GuardLogix, SoftLogix y DriveLogix), las pantallas Panelview 5000 y la configuración de

variadores Powerflex y Kinetix. Es un software bastante intuitivo, que permite el trabajo en equipo

(colaborativo) para el desarrollo de aplicaciones, así como reducir el tiempo de puesta en marcha

de un proyecto. (Alfaro, 2019)

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Figura 9. Interfaz del software de desarrollo RSLogix 5000. (plc-hmi-scadas, s.f.)

Los entornos de desarrollo integrados o IDE. Se trata de plataformas o conjuntos de programas

encaminados a cubrir el ciclo completo de desarrollo de un software facilitando todas las

aplicaciones, herramientas y utilidades necesarias para ello, normalmente en torno a una misma

interfaz de usuario (o muy similar) maximizando así la productividad que un desarrollador puede

alcanzar, pues podrá crear, modificar, compilar, implementar y depurar software desde un único

lugar. (DMARTIN, 2020)

Matlab es una plataforma de programación diseñado específicamente para los ingenieros y

científicos, para analizar y diseñar sistemas y productos que transforman nuestro mundo.

MATLAB es un lenguaje basado en matrices que permite la expresión más natural de las

matemáticas computacionales. (mathworks, mathworks, 2021)

Figura 10. Ejemplo de entorno de desarrollo Matlab. (mathworks, mathworks, 2021)

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5.2.3. Sistemas Scada

El sistema SCADA es una herramienta de automatización y control industrial utilizada en los

procesos productivos que puede controlar, supervisar, recopilar datos, analizar datos y generar

informes a distancia mediante una aplicación informática. Su principal función es la de evaluar los

datos con el propósito de subsanar posibles errores. En consecuencia, su definición es la de una

agrupación de aplicaciones informáticas instaladas en un ordenador denominado Máster o MTU,

destinado al control automático de una actividad productiva a distancia que está interconectada con

otros instrumentos llamados de campo como son los autómatas programables (PLCs) y las unidades

terminales remotas (RTUs). (cursosaula21, 2021)

El software FactoryTalk View Machine Edition (ME) es una aplicación versátil de HMI que

proporciona una solución eficiente y potente para dispositivos de interfaz operador-máquina. Como

parte integrante de la solución de visualización de Rockwell Automation, FactoryTalk View

Machine Edition proporciona mejores gráficos, gestión de usuarios en tiempo de ejecución, cambio

de idioma y tiempo de puesta en marcha más rápido a través de un entorno de desarrollo común.

(rockwellautomation, 2020)

Figura 11. Sistema Scada del software Rockwell. (rockwellautomation, 2020)

5.2.4. Simulación

La simulación de procesos industriales es una herramienta que permite reproducir virtualmente los

procesos y estudiar su comportamiento, para analizar el impacto de las distintas variables que

puedan intervenir en el mismo, o para comparar diferentes alternativas de diseño, sin el alto costo

de los experimentos a escala real. Esta es de gran ayuda a la hora de disminuir los riesgos y

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optimizar la toma de decisiones, así como para planificar, analizar y mejorar los procesos

industriales. (vld-eng, 2019)

A través de la simulación se puede medir o esquematizar un proceso mediante la creación de un

modelo que recoja el sistema de producción de la planta, en un entorno virtual. Al trabajar con un

proceso virtual, todo error o ineficiencia puede ser solventada sin que haya una afección real en la

planta productiva, además de ello, también nos permite anticiparnos a su resultado. Mediante la

simulación podemos analizar cualquier tipo, cambio o propuesta, antes de que esta se lleve a cabo

sin que ello conlleve ningún coste extra, de manera rápida, precisa y libre de riesgos. (vld-eng,

2019)

Los requisitos para la simulación de un proceso industrial son:

Cómo es el proceso

Tipos de variantes de producto

Tiempo de ciclo

Cuál es el objetivo y qué se quiere conseguir

Especificaciones de la planta

Figura 12. simulación de un proceso. (Belda, 2015)

5.2.5. Controlador lógico programable (PLC)

El PLC es un dispositivo electrónico que puede ser programado por el usuario y se utiliza en la

industria para resolver problemas de secuencias en la maquinaria o procesos, ahorrando costos en

mantenimiento y aumentando la confiabilidad de los equipos. Es importante conocer sus

generalidades y lo que un PLC puede hacer por tu proceso, pues podrías estar gastando mucho

dinero en mantenimiento y reparaciones, cuando estos equipos te solucionan el problema y se pagan

solos.

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En la actualidad el campo de aplicación de un PLC es muy extenso. Se utilizan fundamentalmente

en procesos de maniobras de máquinas, control, señalización, etc. La aplicación de un PLC abarca

procesos industriales de cualquier tipo y ofrecen conexión a red; esto te permite tener comunicado

un PLC con una PC y otros dispositivos al mismo tiempo, permitiendo hacer monitoreo,

estadísticas y reportes. (abcinnova, 2016)

Figura 13. PLC Allen-Bradley 1769-L23E-QBFC1B. (plchardware, 2012)

5.2.6. Proceso de pasteurización de leche

El proceso de pasteurización consiste en un tratamiento térmico de líquidos o fluidos alimentarios

para la eliminación de las bacterias contenidas en ellos. Se realiza mediante intercambiadores de

calor por placas. Este proceso requiere ser calculado minuciosamente para conseguir eliminar

cualquier agente infeccioso, manteniendo las propiedades y la calidad de la leche.

La pasteurización elimina los microorganismos patógenos de la leche, a la vez que es respetuoso

con buena parte de su flora natural. Esta flora puede alterar la leche en un breve periodo de tiempo,

es por ello que la leche pasteurizada se vende refrigerada y debe mantenerse así durante el periodo

establecido de consumo, aunque no se abra el envase. Es la que conocemos como “leche fresca” y

tiene un periodo de vida de unos días. (lechepascual, 2010)

El proceso de pasteurización de leche consiste en ingresar el líquido en un tanque especial donde

se controla el PH del líquido el cual se debe encontrar en el rango de 6.5 a 6.8, luego este líquido

se debe calentar por medio de un choque térmico con un intercambiador de calor, la temperatura

se relaciona con el tiempo, si la temperatura a la que se lleva el líquido está en el rango de 75°C a

85°C el tiempo requerido es de 1 segundo, por último la leche debe ser enfriada por medio de un

choque térmico con un intercambiador de calor a una temperatura entre los 4°C y 6°C. (Pino, 2019)

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Figura 14. Simulación de una planta pasteurizadora de leche. (Pino, 2019)

5.2.7. Control Difuso

El control difuso se basa en el conocimiento y experiencia de un operador humano para construir

un controlador que emule el comportamiento de tal persona. Comparado con el control tradicional,

el control difuso tiene dos ventajas prácticas, una es que el modelo matemático del proceso a

controlar no es requerido y otra es que se obtiene un controlador no lineal desarrollado

empíricamente sin complicaciones matemáticas.

Normalmente un controlador difuso este compuesto de la siguiente forma:

Figura 15. Composición de un controlador difuso. (Bernardo, 2010)

En la que se puede ver un primer bloque llamado fuzzificacion en el que los datos de entrada son

procesados para calcular el grado de membresía que tendrán dentro del controlador. Posteriormente

se tiene el dispositivo de inferencia que junto con la base de conocimientos realizan la toma de

decisiones que dictarán la forma en que actuará el sistema. El método de inferencia se basa en el

grado de pertenencia de los datos de entrada en los conjuntos difusos de los espacios

correspondientes, siempre que éstas se den, para tomar una decisión en el espacio de salida. El

conjunto de reglas, que son la base de conocimiento son las que indican la decisión a tomar por el

controlador. La última etapa que se tiene dentro del controlador es la defuzzificacion, que es quien

realiza el procesado final con el fin de adecuar los valores difusos obtenidos de la inferencia en

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valores no difusos útiles para el proceso que se ha de controlar, como ejemplos tenemos el método

del centro de área, de la máxima pertenencia, etc. (Bernardo, 2010)

Fuzzy Logic Toolbox

Proporciona funciones de MATLAB, apps y un bloque de Simulink para analizar, diseñar y simular

sistemas basados en lógica difusa. Este producto ofrece una guía sobre los pasos para el diseño de

sistemas de inferencia difusa. Se proporcionan funciones para muchos métodos comunes, incluidos

el clustering difuso y el aprendizaje neuro difuso adaptativo.

Esta toolbox permite modelar comportamientos complejos del sistema mediante reglas lógicas

simples y, posteriormente, implementar estas reglas en un sistema de inferencia difusa. Puede

utilizarla como un motor de inferencia difusa independiente. Si lo prefiere, puede utilizar bloques

de inferencia difusa en Simulink y simular los sistemas difusos dentro de un modelo completo de

todo el sistema dinámico. (mathworks, mathworks, 2010)

Figura 16. Estructura del bloque Fuzzy Logic Toolbox de Matlab. (mathworks, mathworks, 2010)

5.3. Marco Legal

Las normas nacionales e internacionales que se aplican al proyecto desarrollado son:

5.3.1. Norma NTC 3458

Esta norma técnica colombiana es la que define la higiene y seguridad, puntualmente en este caso

se usa para la identificación de tuberías, es decir para identificar los diferentes colores y tipos de

tuberías dependiendo del fluido que pasa entre estas. (INCONTEC, 1992)

19

5.3.2. Norma ISO 9001

Se plantea utilizar la norma ISO 9001 ya que es aquella que permite garantizar que el producto que

se está realizando tiene un funcionamiento correcto y de alta calidad, esto especialmente ya que el

proceso de simulación que se realizará será utilizado en métodos de enseñanza. (ISO, ISO 9001,

2015)

5.3.3. Norma ISO 10006

Se planea utilizar esta norma ya que especifica la calidad de los proyectos realizados en los centros

de enseñanza. (ISO, ISO 10006, 2003)

5.3.4. Norma IEEE 830

Esta norma específica los requisitos mínimos de software, en este caso como el proceso que se

planea realizar es la simulación de una máquina, se debe cumplir ciertos requisitos, para que el

software sea utilizable. (Agut, 2001)


Esta norma específica la calidad de la documentación y especificaciones de un software, ya que

esta simulación de hace para el uso de estudiantes, se debe realizar una documentación adecuada

donde se especifique a detalle cada función del software. (IEEE, IEEE Std 1063, 2001)


Se presentan símbolos gráficos e información necesaria para su uso en diagramas eléctricos y

electrónicos, que están aprobados internacionalmente. (IEEE, IEEE Std 315-1975, 1993)

20

6. Metodología

Para el desarrollo de este proyecto se utilizó la metodología del modelo de desarrollos de prototipos

el cual pertenece a los modelos de desarrollo evolutivo. El prototipo debe ser construido en poco

tiempo, usando los programas adecuados y no se debe utilizar muchos recursos. El cual tiene las

características de permitir un diseño rápido que se centra en una representación de aquellos

aspectos del software que serán visibles para el cliente o el usuario final. Este diseño conduce a la

construcción de un prototipo y su mayor ventaja es que permite la construcción de prototipos para

la ingeniería del software y la clave es definir las reglas del juego desde el principio. (JAVIER,

2015)

Las principales etapas de este modelo son:

- Planeación

- Modelado

- Desarrollo

Ya que el proyecto realizado al ser una simulación de un proceso, se acopla de manera adecuada a

este modelo, por lo tanto, el ciclo del modelo de desarrollos de prototipos para este proyecto es el

que se puede observar en la siguiente figura.

Figura 17. Ciclo planteado para el modelo de desarrollo de prototipos de este proyecto. (Fuente: elaboración

propia)

Planeación: En esta etapa es donde se realiza la recopilación de información del proyecto, y se

planea como se realizará. Para la ejecución de este proyecto primero se tuvo que tomar información

relacionada a proyectos de grados anteriores, esto con el fin de entender el funcionamiento y partes

21

de las tres plantas caldera, dosificador y enfriador. Adicionalmente se investigó las diferentes

herramientas que se utilizaron como lo son RSLogix 5000, Matlab, OPC RSLinx, entre otras.

Modelado: En esta etapa es donde se define la estructuración que tendrá el prototipo plano, piezas,

herramientas a utilizar, entre otras. Para la ejecución de este proyecto se definió en esta etapa los

planos de como quedarían las HMI´s, que herramientas se utilizarían, se especificaron los

parámetros o datos a utilizar para los controladores difusos, se especificó como sería el ciclo que

se realizaría en la simulación, entre otras cosas.

Desarrollo: En esta etapa es donde se realiza la implementación del prototipo basándose en lo

hecho en las etapas anteriores. Para la ejecución de este proyecto se realizó en esta etapa el

desarrollo del proceso en RSLogix 5000, incorporación de la OPC RSLinx para unir RSLogix 5000

y Matlab, se realizaron los controladores difusos, realizar las HMI´s, entre otras cosas.

6.1. Diagrama de bloques de la solución.

Para el desarrollo de este proyecto se tiene el siguiente diagrama de bloques en donde se evidencia

el flujo de datos e interacciones necesarias para el correcto funcionamiento.

Figura 18. Diagrama de bloques del funcionamiento de la simulación de la planta. (Fuente: elaboración propia)

Matlab: En Matlab se implementó el modelo de variables análogas, más específicamente en

Simulink y por otro lado se desarrollaron los controladores difusos en la herramienta Fuzzy Logic

Toolbox de tal manera que se lograra controlar las variables de PH, flujo de vapor en la caldera y

caudal de líquido en el enfriador.

OPC: OPC es una tecnología de comunicación con una arquitectura de cliente y servidor. Una

aplicación actúa de servidor proporcionando datos y otra actúa como cliente leyéndolos o

manipulándolos. Este permite el intercambio de información entre múltiples dispositivos y

22

aplicaciones de control sin restricciones o límites impuestos por los fabricantes. (kepserverexopc,

2019) En este caso se implementó el servidor OPC de RSLinx el cual se comunica con Matlab y

con el PLC simulado SoftLogix 5800, con el fin de transmitir y recibir información.

PLC simulación: El PLC de simulación utilizado es el SoftLogix5800 de la industria Rockwell,

el cual se utiliza para el trabajo con controladores lógicos programables. En este caso se utilizó este

software con el fin de implementar los programas desarrollados en el Rslogix5000 para cada etapa

del proceso (dosificador, caldera y enfriador).

SCADA: El sistema SCADA es una herramienta de automatización y control industrial utilizada

en los procesos productivos que puede controlar, supervisar, recopilar datos, analizar datos y

generar informes a distancia mediante una aplicación informática. En este caso se utilizó el Factory

Talk View – site edition para simular todas las partes de la planta y visualizar las variables de

proceso.

23

7. Resultados

Para el desarrollo de este proyecto se basó en la metodología propuesta en este documento en donde

se observó una base en el modelo de desarrollo de prototipos y sus tres etapas planeación, modelado

y desarrollo. Adicionalmente se tuvo en cuenta lo planteado en el diagrama de bloques de la

solución, esto con el fin de cumplir los objetivos propuestos. Para describir el desarrollo y

resultados de este proyecto se ha dividido las siguientes partes:

7.1. Identificación de los modelos de las variables análogas

Con el fin de obtener e identificar los modelos de variables análogas primero se tuvo que entender

como es la planta pasteurizadora de leche encontradas en el laboratorio de electrónica Universidad

Distrital Francisco José de Caldas facultad Tecnológica. Para ello se tomaron tres proyectos de

grado realizados previamente con las plantas de este proceso y se pudo identificar que es un

conjunto de tres plantas de procesos en donde cada un cumple con una función específica para

obtener como resultado la leche pasteurizada, las plantas son:

Dosificador: Esta planta es la encargada de ser el punto de ingreso de la leche a procesar, en ella

se realiza el control de PH el cual debe estar en un rango de 6.5 a 6.8, adicionalmente cuenta con

un intercambiador de aumento de temperatura. El proyecto del que se tomó la información se titula

“SISTEMA DE CONTROL DE pH PARA LA ETAPA DE DOSIFICACIÓN DE LA

PLANTAPASTEURIZADORA UBICADA EN EL LABORATORIO DE INDUSTRIAL”.

(Perez, 2016)

Caldera: Esta planta es la encargada de generar vapor de agua a una temperatura aproximada de

132°C que luego por medio de una válvula proporcional es enviada al intercambiador de

temperatura del dosificador, esto con el fin de realizar el aumento térmico del producto a una

temperatura aproximada de 80°C. El proyecto del que se tomó la información se titula

“APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LA CALDERA DE PROCESO DE

PASTEURIZACION DIDACTICA PARA EL LABORATORIO DE INDUSTRIAL DE LA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD

TECNOLOGICA”. (Bolivar & Martinez, 2019)

Enfriador: Esta planta es la encargada de reducir la temperatura de la leche por medio de un

intercambiador de calor a una temperatura que este entre un rango de 4°C a 6°C, adicionalmente

en la encargada de entregar el producto final. El proyecto del que se tomó la información se titula

“IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PI SOBRE LA ETAPA DE

REFRIGERACIÓN DE LA PLANTA PASTEURIZADORA UBICADA EN EL

LABORATORIO DE INDUSTRIAL DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS”. (Mancipe & Rivera, 2016)

24

Basándonos de los proyectos de grado mencionados previamente se tuvo que recopilar información

de su funcionamiento, esto con el fin de realizar los controladores difusos, para los cuales se

necesita entender el funcionamiento de la planta como si se fuera un operario. La información

obtenida se evidencia a continuación:

Dosificador

Para el desarrollo del controlador de esta planta se optó por realizar un controlador difuso sobre la

variable química PH, la cual es clave en todo proceso de pasteurización, los sistemas que se

relacionan a esta variable son dos dosificadores uno que aumenta el ácido y la otra la base, las

cuales son accionadas por medios de dos válvulas que generan una presión con un sistema

neumático y estas son utilizadas por medio de un sistema PWM (cabe aclarar que este proyecto

página (67) (Perez, 2016) se especifica que el ciclo Duty es de 0 a 255, pero por efectos de

conocimientos de la planta el rango de control es de 0 a 165) que por medio de pulsos de voltaje

permiten pasar mayor o menor cantidad de líquido al producto. Adicionalmente esto es censado

con un sensor de PH “SKU: SEN016” el cual será la entrada al sistema de control.

Basándonos del proyecto de grado relacionado al dosificador se obtuvieron las siguientes tablas

que describen el funcionamiento de estos elementos:

En la siguiente tabla se evidencia los datos correspondientes del sensor “SKU: SEN016”

entregados por el fabricante el cual relaciona PH vs mv:

Voltaje

(mv)

Valor PH

414,12 0

354,96 1

295,8 2

236,54 3

117,48 4

118,32 5

59,16 6

0 7

-59,16 8

-118,32 9

-117,48 10

-236,54 11

-295,8 12

-354,96 13

-414,12 14 Tabla 1. Datos entregados por el fabricante del sensor "SKU: SEN016". (Perez, 2016)

25

En la siguiente tabla se evidencia los datos correspondientes a la linealización del sensor “SKU:

SEN016” realizados en el proyecto de grado relacionado el cual evidencia el PH(V) vs patrón PH:

PH -

Patrón

Sensor

PH(V)

1,81 0,12

2,02 0,16

2,31 0,31

3,58 0,76

6,84 1,85

10,16 3,23

11,06 3,66

11,8 3,94 Tabla 2. Datos obtenidos en la linealización del sensor "SKU: SEN016". (Pérez, 2016)

Con los datos obtenidos en la tabla 2 se genera la siguiente ecuación:

𝑃𝐻 = 1.60315573708 + 2.6197258805 ∗ (𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 − 1130) ( 1 )

Luego en el documento (Perez, 2016) se obtienen los modelos de variables análogas de ambos

sistemas aumento de PH por medio de una base y disminución de PH por medio de un ácido. Para

ello se enuncia que se realizó un proceso en el que se aplica el uso de identificación por caja negra.

Para la entrada se utiliza una señal paso, y se obtienen la respuesta de salida, la cual es registrada

y utilizando Toolbox de system identification de Matlab se obtienen las siguientes gráficas y

funciones de transferencia que describen el funcionamiento del sistema:

Figura 19. Respuesta al aplicar una señal paso al sistema de ácido. (Perez, 2016)

26

Figura 20. Respuesta al aplicar una señal paso al sistema de base. (Pérez, 2016)

Y los modelos de variables análogas o modelos matemáticos del sistema son:

Modelo de variables análogas para el aumento de acides:

𝐺1(𝑍) = 𝑍−1 ∗ 0.0003788 𝑍−1 + 4.746 𝑒−5 𝑍−2 −0.0002566 𝑍−3

1− 0.8329 𝑍−1−0.992 𝑍−2+0.8249 𝑍−3 ( 2 )

La cual cuenta con una aproximación de 97.13 % y tiene un tiempo de muestreo de 0.1 s.

Modelo de variables análogas para el aumento de base:

𝐺2(𝑍) = 0.0001706 𝑍−1 + 0.0001614 𝑍−2

1− 0.02252 𝑍−1−0.0881 𝑍−2 ( 3 )


Caldera


variable física temperatura, la cual es clave en todo proceso de pasteurización, el sistema que se

relaciona a esta variable es la transferencia de temperatura en el intercambiador ubicado en el

dosificador para ello se debe enviar vapor de agua a una temperatura aproximada de 132°C, este

flujo de vapor es controlado por una válvula proporcional de tipo mariposa la cual cuanta con un

aproximado de 4.75 vueltas y para una mayor facilidad de uso en los sistemas de control se

determina en el proyecto (Bolivar & Martinez, 2019) página (63) que el rango de este es de 1710°

27

ya que se toma una vuelta como 360° y al ser 4.75 vueltas se obtiene ese valor, y como entrada de

este sistema se utiliza un sensor de temperatura NTC de 50KΩ.

Basándonos del proyecto de grado relacionado a la caldera se obtuvieron las siguientes tablas que

describen el funcionamiento de estos elementos:

En la siguiente tabla se evidencia los datos correspondientes del sensor “NTC de 50KΩ” entregados

por el fabricante el cual relaciona Temperatura vs Resistencia:

Temperatura (C°) Resistencia (KΩ)

22 50

30 39,5

40 26,1

60 12,1

70 8,5

95 3,8

105 2,8 Tabla 3. Datos entregados por el fabricante del sensor "NTC de 50KΩ". (Bolívar & Martínez, 2019)

En la siguiente tabla se evidencia los datos correspondientes a la linealización del sensor “NTC de

50KΩ” realizados en el proyecto de grado relacionado el cual evidencia la Temperatura vs

Resistencia:

Temperatura (C°) Resistencia (KΩ)

22 50

30 39,5

40 26,1

60 12,1

70 8,5

95 3,8

105 2,8 Tabla 4. Datos obtenidos en la linealización del sensor " NTC de 50KΩ". (Bolívar & Martínez, 2019)


𝑇 = −0.1332 𝑅 + 15.778 ( 4 )

Luego en el documento (Bolívar & Martínez, 2019) se obtiene el modelo de variables análogas

donde la entrada es temperatura del sensor de proceso en el tanque donde se ubica el intercambiador

de calor del dosificador. Para ello se enuncia que se realizó un proceso en el que se aplica el uso

de identificación por caja negra. Para la entrada se utiliza algunas señales paso, y se obtienen la

respuesta de salida, la cual es registrada y utilizando Toolbox de system identification de Matlab

se obtiene la siguiente gráfica y función de transferencia que describen el funcionamiento del

sistema:

28

Figura 21. Respuesta al aplicar una señal paso al sistema. (Bolívar & Martínez, 2019)

Y el modelo de variables análogas o modelo matemáticos del sistema es:

𝐺3(𝑍) = 𝑍−120 ∗ 0.01232

1 − 0.9963 𝑍−1 ( 5 )


Enfriador


variable física temperatura, la cual es clave en todo proceso de pasteurización, el sistema que se

relaciona a esta variable es la transferencia de temperatura en el intercambiador ubicado en el

enfriador para ello se tiene un líquido refrigerante en una nevera la cual lleva este líquido a una

temperatura aproximada de -15°C, luego por medio de una válvula proporcional de tipo bola se

controla el flujo del líquido de proceso o leche de tal forma que al cruzar lentamente por el

intercambiador la leche obtenga una temperatura de 4°C, adicionalmente esta válvula se puede

manipular entre los 0° a 180° y como entrada de este sistema se utiliza un sensor de temperatura

“NTC de 10KΩ”.

Basándonos del proyecto de grado relacionado al enfriador se obtuvieron las siguientes tablas que

describen el funcionamiento de estos elementos:

En la siguiente tabla se evidencia los datos correspondientes del sensor “NTC de 10KΩ” entregados

por el fabricante el cual relaciona Temperatura vs Resistencia:

29

Tabla 5. Datos entregados por el fabricante del sensor "NTC de 10KΩ". (Mancipe & Rivera, 2016)

En la siguiente tabla se evidencia los datos correspondientes a la linealización del sensor “NTC de

10KΩ” realizados en el proyecto de grado relacionado el cual evidencia la Temperatura vs

Resistencia:

Temperatura (C°) Resistencia (Ω)

-3 38230,7

-2 36294

-1 34742,1

0 32742,1

1 31113,8

30

2 29575,9

3 28122,9

4 26749,6

5 25451,3

6 24223,4

7 23061,8

8 21962,5

9 20921,8

10 19936,4

11 19002,9

12 18118,4 Tabla 6. Datos obtenidos en la linealización del sensor " NTC de 10KΩ". (Mancipe & Rivera, 2016)


𝑇 = −0.0007 𝑅 + 24.43 ( 6 )

Luego en el documento (Mancipe & Rivera, 2016) se obtiene el modelo de variables análogas

donde la entrada es la temperatura del termo pozo cuatro del enfriador el cual está ubicado antes

del tanque de entrega final del producto. Para ello se enuncia que se realizó un proceso en el que

se aplica el uso de identificación por caja negra. Para la entrada se utiliza algunas señales paso, y

se obtienen la respuesta de salida, la cual es registrada y utilizando Toolbox de system identification

de Matlab se obtiene la siguiente gráfica y función de transferencia que describen el

funcionamiento del sistema:

Figura 22. Respuesta al aplicar una señal paso al sistema. (Mancipe & Rivera, 2016)

Y el modelo de variables análogas o modelo matemáticos del sistema es:

31

𝐺4(𝑍) = 2.3 𝑍2 − 3.605 𝑍+1.674

𝑍2 − 1.255 𝑍+0.5396 ( 7 )


7.2. Implementación los modelos de variables análogas

Con el fin de entender de una manera más precisa el funcionamiento de los tres sistemas a controlar

se decidió tomar las funciones de transferencia o modelos de variables análogas descriptas

anteriormente y simularlas para observar su respuesta, para ello estas cuatro funciones se

implantaron en Simulink del entorno de desarrollo de Matlab, luego de aplico una señal de tipo

paso y se tomaron en lazo abierto obteniendo lo siguiente:

Implementación del modelo de variables análogas de aumento de ácido del dosificador:

𝐺1(𝑍) = 𝑍−1 ∗ 0.0003788 𝑍−1 + 4.746 𝑒−5 𝑍−2 −0.0002566 𝑍−3

1− 0.8329 𝑍−1−0.992 𝑍−2+0.8249 𝑍−3 ( 8 )

La simulación se observa a continuación:

Figura 23. Implementación del modelo de aumento de ácido en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

Al correr esta simulación se obtiene la siguiente respuesta:

32

Figura 24. Respuesta del modelo de aumento de ácido. (Fuente: elaboración propia)

Al observar la respuesta se puede determinar que su funcionamiento es lineal y su respuesta deriva

de lo ingresado, en este caso se simula el ingreso de 120 al actuador, ya que como se especificó

anteriormente el PWM utilizado es de 8 Bits, pero por facilidades de control el rango de ciclo útil

a trabajar será de 0 a 165 como se indica en la página (67) del proyecto (Bolivar & Martinez, 2019).

Implementación del modelo de variables análogas de aumento de base del dosificador:

𝐺2(𝑍) = 0.0001706 𝑍−1 + 0.0001614 𝑍−2

1− 0.02252 𝑍−1−0.0881 𝑍−2 ( 9 )


Figura 25. Implementación del modelo de aumento de base en Simulink. (Fuente: elaboración propia)


33

Figura 26. Respuesta del modelo de aumento de base. (Fuente: elaboración propia)

Al observar la respuesta se puede determinar que su funcionamiento es lineal y su respuesta deriva

de lo ingresado, en este caso se simula el ingreso de 120 al actuador, ya que como se especificó

anteriormente el PWM utilizado es de 8 Bits, pero por facilidades de control el rango de ciclo útil

a trabajar será de 0 a 165 como se indica en la página (67) del proyecto (Bolivar & Martinez, 2019).

Implementación del modelo de variables análogas de aumento de temperatura por parte de la

caldera:

𝐺3(𝑍) = 𝑍−120 ∗ 0.01232

1 − 0.9963 𝑍−1 ( 10 )


Figura 27. Implementación del modelo de aumento de temperatura en Simulink. (Fuente: elaboración propia)


34

Figura 28. Respuesta del modelo de temperatura de la caldera. (Fuente: elaboración propia)

Al observar la respuesta del modelo se puede evidenciar que se genera un retraso de 120 unidades

de tiempo esto debido a la composición de la función de transferencia, en el documento (Bolívar

& Martínez, 2019) se especifica que este tiempo de retraso es utilizado para evitar inconvenientes

con envió de vapor por parte de la caldera hacia el intercambiador, pero debido a que este es un

proceso de simulación se optó por tomar este retraso como uno y evitar tiempos adicionales de

perdida de información. Para la ejecución de esta simulación se utilizó un ángulo de válvula de

680°.

Implementación del modelo de variables análogas de disminución de temperatura por parte del

enfriador:

𝐺4(𝑍) = 2.3 𝑍2 − 3.605 𝑍+1.674

𝑍2 − 1.255 𝑍+0.5396 ( 11 )


Figura 29. Implementación del modelo de disminución de temperatura en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

35


Figura 30. Respuesta del modelo de temperatura del enfriador. (Fuente: elaboración propia)

Esta respuesta se obtuvo utilizando un Angulo de 150° inicial para simular la temperatura de

entrada la cual es aproximadamente de 80°C y luego se aplica un Angulo de 10° para disminuir

esta temperatura a 4°C.

7.3. Desarrollo de controladores

En esta fase se realizaron los diseños e implementaciones de tres controladores difusos utilizando

el método de Mamdani, los cueles permiten controlar las variables de PH en el dosificador, flujo

de vapor en la caldera y caudal de líquido de proceso en el enfriador. Para esto se utilizó la

herramienta fuzzyLogicDesigner de Matlab y la información recopilada anteriormente para

entender el funcionamiento de estas.

Para el diseño e implementación de este control se tuvo en cuenta el modelo básico de diseño de

controles difusos el cual se puede evidenciar en la siguiente imagen:

36

Figura 31. Composición de un controlador difuso. (Bernardo, 2010)

En donde se puede observar que este se divide en cuatro partes que son fuzzificacion, base de

conocimiento, inferencia y defuzzificacion.

El primero que se puede observar es la Fuzzificacion la cual es aquella que toma los valores de

entrada y los convierte en datos difusos para después por medio de procesos matemáticos calcular

el grado de membresía que tiene el controlador, luego podemos observar el método de inferencia

que es el que permite la toma de decisiones basándose en reglas lingüísticas planteadas mediante

la base de conocimiento obtenida de la planta, para finalmente realizar la Defuzzificacion del

controlador que consiste en transformar la salida difusa en un valor de control de conjunto difuso.

Para que el controlador difuso por método de Mamdani sea correctamente realizado se debe

cumplir las cuatro partes o etapas descritas y cumplir con los términos lingüísticos, funciones de

membresía, rangos, elección de reglas y elección del método de Defuzzificacion. Adicionalmente

se debe tener en cuenta que todo sistema de control puede presentar tres tipos de errores error cero

(Ecero), error negativo (EN) y error positivo (EP), y la fórmula que describe estos errores es:

𝐸% = |𝑉𝑅−𝑉𝐸

𝑉𝑅| ∗ 100% ( 12 )

Donde:

E%: Error porcentual.

VR: Valore real o teórico.

VE: Valor experimental.

A partir de esto se debe tener en cuenta las variables lingüísticas, las cuales dependen de los

términos lingüísticos que son conjuntos difusos restringidos en cierto dominio, y a su vez las

variables lingüísticas son las que nos permiten escoger los estados con los que puede contar nuestro

controlador.

También se debe tener en cuenta las funciones de pertenencia a utilizar ya que describen o

representan las coordenadas difusas del atributo, son funciones continuas y los diferentes tipos que

existen son:

37

Figura 32. Tipos de funciones de pertenencia utilizadas en control difuso. (Lógica Difusa ( Fuzzy Logic ), 2010)

A partir de esta información y del funcionamiento de la planta se procede a diseñar y especificar

las reglas lingüísticas y funciones de pertenencia en este caso para los tres controles solo se

utilizaron las funciones de pertenencia básicas triangular y trapezoidal ya que, observado las

respuestas de las funciones de transferencia evidenciadas anteriormente, sus respuestas son casi de

tipo lineal. Luego se establece el grado de pertenencia que es la relación entre las entradas y salidas

con las que cuenta el controlador.

Lo siguiente a realizar es plantear las reglas de control las cuales son aquellas que relacionan los

términos lingüísticos de entrada al controlador con los de salida, para ello solo se debe tener en

cuenta los conocimientos del funcionamiento de las plantas.

Lo último a realizar es aplicar el método de defuzzificacion conveniente en este caso se aplicó el

método de centroide o centro de gravedad, ya que en la documentación utilizada para este

documento se dice que es el método más utilizado y más eficiente. Es importante realizar el proceso

de defuzzificacion ya que es el que nos permite tomar las reglas establecidas de forma difusa y

transformarlo en un valor utilizable en la planta.

La ecuación del método de centroide se describe a continuación:

38

Figura 33. Ecuación que describe el método del centroide. (Daniel Felipe Gordillo Gonzalez, 2021)

Donde R es el número de reglas.

Controlador de PH (Dosificador)

Lo primero que se debe realizar es plantear que entradas y salidas que tendrá el sistema y entre que

rangos se evidencia el correcto funcionamiento de estas. Cabe aclarar que en el proyecto de grado

que se tuvo en cuenta para este controlador se toma una división de PH ya que son dos salidas

diferentes que debemos garantizar que ellas puedan estar en un valor 0, para ello se planteó el

nuevo rango -7 a 7 de PH donde los valores inferiores a cero se relacionan con acidez y los

superiores a cero se relacionara con la base, posteriormente este nivel se corregirá con un proceso

matemático:

- Error de PH, tipo entrada y su rango de datos esta entre -7 PH y 7 PH.

- PWM Acido, tipo salida y su rango de datos esta entre 0 y 165 ciclo Duty.

- PWM Base, tipo salida y su rango de datos esta entre 0 y 165 ciclo Duty.

Partiendo de lo descrito anteriormente se plantean las variables lingüísticas del sistema a controlar

en donde se debe evidenciar los rangos de trabajo los cuales se especifican con base en la

información obtenida de los proyectos de grado anteriores y conocimientos adquiridos con respecto

a este proceso (Perez, 2016):

Error de PH Entrada

Variables

lingüísticas

Descripción Rango (PH)

EPHASA Error de PH acido muy alto -7 a -3

EPHAA Error de PH acido alto -3.5 a -1.8

EPHAM Error de PH acido medio -2.5 a -1

EPHAB Error de PH acido bajo -2 a -0.6

EPHASB Error de PH acido muy bajo -1 a 0

EPHCERO Error de PH cero 0

EPHBSB Error de PH base muy bajo 0 a 0.6

EPHBB Error de PH base bajo 0.4 a 1

EPHBM Error de PH base medio 0.6 a1.6

39

EPHBA Error de PH base alto 1.1 a 2.6

EPHBSA Error de PH base muy alto 1.8 a 7 Tabla 7. Variables lingüísticas planteadas para la entrada del dosificador. (Fuente: elaboración propia)

PWM de Acido Salida

Variables

lingüísticas

Descripción Rango (ciclo

Duty)

PWMACERO PWM de ácido en cero 0

PWMASB PWM de ácido muy bajo 0 a 29

PWMAB PWM de ácido bajo 20 a 80

PWMAM PWM de ácido medio 60 a 100

PWMAA PWM de ácido alto 80 a 120

PWMASA PWM de ácido muy alto 100 a 165 Tabla 8. Variables lingüísticas planteadas para la salida de ácido del dosificador. (Fuente: elaboración propia)

PWM de Base Salida

Variables

lingüísticas

Descripción Rango (ciclo

Duty)

PWMBCERO PWM de base en cero 0

PWMBSB PWM de base muy bajo 0 a 30

PWMBB PWM de base bajo 40 a 100

PWMBM PWM de base medio 60 a 100

PWMBA PWM de base alto 80 a 140

PWMBSA PWM de base muy alto 120 a 165 Tabla 9. Variables lingüísticas planteadas para la salida de ácido del dosificador. (Fuente: elaboración propia)

Luego de esto utilizando la herramienta de fuzzyLogicDesigner se crea el esquemático del

controlador:

Figura 34. Esquemático del controlador del dosificador. (Fuente: elaboración propia)

40

Para implementar funciones de pertenencia como se enuncio anteriormente todos serán de tipo

triangular menos EPHASA, EPHBSA, PWMASA y PWMBSA, los cuales serán de tipo trapezoidal

ya que en estas variables lingüísticas se necesita que el valor asociado se mantenga un mayor

tiempo. Obteniendo lo siguiente

Figura 35. Funciones de pertenencia implementadas para la entrada del controlador del dosificador. (Fuente:

elaboración propia)

Figura 36. Funciones de pertenencia implementadas para la salida acida del controlador del dosificador. (Fuente:


41

Figura 37. Funciones de pertenencia implementadas para la salida base del controlador del dosificador. (Fuente:


Para la implementación de las reglas de control se tuvo en cuenta la información recopilada

anteriormente obteniendo:

Figura 38. Reglas utilizadas para el controlador de PH en la caldera. (Fuente: elaboración propia)

Adicionalmente en la herramienta se usa el método de defuzzificacion del centroide y se puede

observar le respuesta del controlador de entrada vs salidas, y la respuesta por parte de las reglas de

control.

42

Figura 39. Respuesta del controlador EPH VS PWMACIDO. (Fuente: elaboración propia)

Figura 40. Respuesta del controlador EPH VS PWMBASE. (Fuente: elaboración propia)

43

Figura 41. Respuesta del controlador generada por las reglas de control. (Fuente: elaboración propia)

Por último, para validar la funcionabilidad del controlador se implantó el control en Simulink, para

ello se tuvo en cuenta que el nivel de la señal de salida debería tener un aumento de 7 unidades por

las razones descritas anteriormente, adicionalmente el error de entrada del sistema será la suma de

los resultados de las dos funciones de transferencia, y debe estar implementado en lazo cerrado.

Por lo tanto, se obtuvo lo siguiente:

Figura 42. Controlador de PH para el dosificador. (Fuente: elaboración propia)

Y la respuesta que se obtiene por parte de este control es:

44

Figura 43. Respuesta del sistema de control para el dosificador. (Fuente: elaboración propia)

Para este control se debe tener en cuenta que siempre las variables de Simulink empiezan en un

nivel 0 por lo tanto la salida de PH inicial es 7 debido a las condiciones establecidas previamente

para el controlador y en el proceso que se evidenciara más adelante se tiene que enviar la condición

inicial previamente, ya que debe establecerse en ese valor para el inicio del proceso en este caso

para la simulación se utilizó una señal paso con un valor inicial de 12 PH que luego será enviado a

6.8 PH esto con el fin de validar la respuesta de aumento de ácido y de base.

Cabe aclarar que un control difuso es un proceso matemático que se realiza para cada valor

ingresado, con el fin de validar matemáticamente el controlador realizado tomaremos un valor de

entrada y realizaremos el proceso matemático:

Para este caso se tomará como valor de entrada 1.5 PH como se muestra en la siguiente figura:

45

Figura 44. Respuesta de las reglas de control para la entrada de 1.5 PH. (Fuente: elaboración propia)

Lo primero es validar a que funciones de membresía afecta la entrada de este valor para este caso

se evidencia que son EPHBM y EPHBA, las cuales son de tipo triangular, luego de esto se debe

tener en cuenta:

Figura 45. Ecuaciones que restringen el funcionamiento de una función de membrecía triangular. (Lógica Difusa (

Fuzzy Logic ), 2010)

Ahora teniendo en cuenta los rangos de nuestras funciones de membresía realizamos el proceso de

fuzzificacion, obteniendo los valores difusos:

EPHBM Error de PH base medio 0.6 a1.6

EPHBA Error de PH base alto 1.1 a 2.6 Tabla 10. Variables lingüísticas de entrada aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia)

46

μ1 =1.625−1.5

1.625−1.125= 0.25 ( 13 )

μ2 =1.5−1.15

1.9−1.15= 0.466 ( 14 )

Ahora con los valores de fuzzificacion debemos aplicar el método de inferencia para ello primero

debemos validar que reglas se aplican con esas funciones de membresía:

Figura 46. Reglas de control aplicadas al control difuso del PH. (Fuente: elaboración propia)

Podemos observar que según las reglas planteadas se aplicaría en este caso 2 y 3. Por lo tanto la

salida en este caso estaría relacionada con las funciones de membresía PWMBM y PWMBA. Lo

siguiente es aplicar la defuzzificacion que en este caso es el método de centroide para lo cual se

aplicara la fórmula:

Cx = ∑ AsXi∗Cxi

∑ AsXi ( 15 )

Donde AsX es el área y Cx son los puntos de corte de la respuesta, para este caso el área relacionada

con la respuesta del controlador es:

Figura 47. Funciones de membresía relacionadas a la salida de base. (Fuente: elaboración propia)

Aplicando las ecuaciones enunciadas en la figura 45 procederemos a encontrar los puntos de

intersección de las dos funciones de membresía, adicionalmente se debe tener en cuenta las

variables difusas obtenidas en el proceso de fuzzificacion:

47

PWMBM PWM de base medio 60 a 100

PWMBA PWM de base alto 80 a 140 Tabla 11. Variables lingüísticas de salida aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia)

Cx1 = 40 + 0.25(70 − 40) = 47.5 ( 16 )

Cx2 = 100 − 0.25(100 − 70) = 92.5 ( 17 )

Cx3 = 80 + 0.466(110 − 80) = 93.98 ( 18 )

Cx4 = 140 − 0.466(140 − 110) = 126.02 ( 19 )

Ahora se procede a hallar las áreas:

AsX1 = (92.5 − 47.5) ∗ 0.25 = 11.25 ( 20 )

AsX2 =(93.98−92.5)(0.466−0.25)

2= 0.159 ( 21 )

AsX3 = (126.02 − 93.98) ∗ 0.466 = 14.93 ( 22 )

AsX4 =(140−126.02)∗0.466

2= 3.257 ( 23 )

Ahora procedemos a remplazar en la ecuación (15):

Cx = (47.5∗11.25)+(92.5∗0.159)+(93.98∗14.93)+(126.02∗3.257)

11.25+0.159+14.93+3.257= 95.3 ( 24 )

Podemos observar que el valor después de la defuzzificacion es muy aproximado al valor

visualizado en el control hecho en Matlab.

Controlador de flujo de vapor (Caldera)

Lo primero que se debe realizar es plantear que entradas y salidas tendrá el sistema y entre que

rangos se evidencia el correcto funcionamiento de estas. Cabe aclarar que este sistema en la planta

real según el documento en que se basó, no cuenta con el control de descenso de temperatura, solo

puede aumentar la temperatura del proceso, pero se debe tener en cuenta que la planta real se

presentan alteraciones por factores externos como lo es la temperatura ambiente, con el fin de

entender esto mejor podría especificarse de la siguiente forma, al realizar el proceso de

calentamiento de la leche el control en la planta real dejaría pasar vapor caliente al intercambiador

de calor realizando el aumento de temperatura de leche hasta los 80°C, luego comenzara a cerrar

la válvula. Pero esta leche no se mantendrá siempre a esta temperatura, esta comenzara a enfriarse

48

lentamente, para que luego se efectué nuevamente el control y mantenga esta temperatura, pero al

ser este un proceso de simulación no se evidenciara esto, por lo tanto como una función de

transferencia debería responder correctamente a valores positivos y negativos se ha planteado la

creación de una parte negativa para la apertura de la válvula de flujo, de tal forma que se pueda

realizar una disminución de temperatura, y realizar un control más eficiente y real en esta

simulación.

- Error de Temperatura, tipo entrada y su rango de datos esta entre -90 °C y 90°C.

- Angulo de apertura de válvula, tipo salida y su rango de datos esta entre -1710° y 1710°




a este proceso (Bolívar & Martínez, 2019):

Error de Temperatura Entrada

Variables

lingüísticas

Descripción Rango

(°C)

ENG Error negativo grande -90 a -10

ENMG Error negativo medianamente grande -35 a -15

ENM Error negativo mediano -22 a -8

ENMP Error negativo medianamente pequeño -10 a -2

ENP Error negativo pequeño -6 a 0

ECERO Error en cero 0

EPP Error positivo pequeño 0 a 3

EPMP Error positivo medianamente pequeño 2 a 6

EPM Error positivo mediano 4 a 10

EPMG Error positivo medianamente grande 6 a 14

EPG Error positivo grande 10 a 90 Tabla 12. Variables lingüísticas planteadas para la entrada de la caldera. (Fuente: elaboración propia)

Angulo de Válvula de salida

Variables

lingüísticas

Descripción Rango (°)

ANG Angulo negativo grande -1710 a -1080

ANMG Angulo negativo medianamente grande -1440 a -864

ANM Angulo negativo mediano -1044 a -540

ANMP Angulo negativo medianamente pequeño -792 a -288

ANP Angulo negativo pequeño -432 a 0

49

ACERO Error en cero 0

APP Angulo positivo pequeño 0 a 288

APMP Angulo positivo medianamente pequeño 144 a 576

APM Angulo positivo mediano 360 a 792

APMG Angulo positivo medianamente grande 576 a 1296

APG Angulo positivo grande 1008 a 1710 Tabla 13. Variables lingüísticas planteadas para la salida de la caldera. (Fuente: elaboración propia)


controlador:

Figura 48. Esquemático del controlador de la caldera. (Fuente: elaboración propia)


triangular menos ENG, EPG, ANG y APG, los cuales serán de tipo trapezoidal ya que en estas

variables lingüísticas se necesita que el valor a asociado se mantenga un mayor tiempo. Obteniendo

lo siguiente

50

Figura 49. Funciones de pertenencia implementadas para la entrada del controlador de la caldera. (Fuente:


Figura 50. Funciones de pertenencia implementadas para la salida del controlador de la caldera. (Fuente: elaboración

propia)



51

Figura 51. Reglas utilizadas para el controlador de flujo de vapor en la caldera. (Fuente: elaboración propia)


observar le respuesta del controlador de entrada vs salida, y la respuesta por parte de las reglas de

control.

Figura 52. Respuesta del controlador Error Temperatura VS Angulo. (Fuente: elaboración propia)

52



ello se tuvo en cuenta que el error de entrada es la respuesta en lazo cerrado. Por lo tanto, se obtuvo

lo siguiente:

Figura 54. Controlador de flujo de vapor para la caldera. (Fuente: elaboración propia)


53

Figura 55. Respuesta del sistema de control para la caldera. (Fuente: elaboración propia)


nivel 0 por lo tanto la temperatura inicial es 0°C, en este caso para la simulación se utilizó una

señal paso con un valor inicial de 80 °C que luego será enviado a 4°C esto con el fin de validar la

respuesta de aumento y disminución de temperatura.




Para este caso se tomará como valor de entrada 9°C como se muestra en la siguiente figura:

Figura 56. Respuesta de las reglas de control para la entrada de 9 °C. (Fuente: elaboración propia)

54


se evidencia que son EPM y EPMG, las cuales son de tipo triangular, luego de esto se debe tener

en cuenta:






EPMG Error positivo medianamente grande 6 a 14 Tabla 14. Variables lingüísticas de entrada aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia)

μ1 =10−9

10−7= 0.333 ( 25 )

μ2 =9−6

10−6= 0.75 ( 26 )



Figura 58. Reglas de control aplicadas al control difuso del flujo de vapor. (Fuente: elaboración propia)

55


salida en este caso estaría relacionada con las funciones de membresía APM y APMG. Lo siguiente

es aplicar la defuzzificacion que en este caso es el método de centroide para lo cual se aplicara la

fórmula:

Cx = ∑ AsXi∗Cxi

∑ AsXi ( 27 )



Figura 59. Funciones de membresía relacionadas a la salida. (Fuente: elaboración propia)





APMG Angulo positivo medianamente grande 576 a 1296 Tabla 15. Variables lingüísticas de salida aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia)

Cx1 = 360 + 0.333(576 − 360) = 431.92 ( 28 )

Cx2 = 792 − 0.333(792 − 576) = 720.07 ( 29 )

Cx3 = 576 + 0.75(936 − 576) = 846 ( 30 )

Cx4 = 1296 − 0.75(1296 − 936) = 1026 ( 31 )


AsX1 = (720.07 − 431.92) ∗ 0.333 = 95.95 ( 32 )

AsX2 =(846−720.07)(0.75−0.333)

2= 26.25 ( 33 )

AsX3 = (1026 − 846) ∗ 0.75 = 135 ( 34 )

AsX4 =(1296−1026)∗0.75

2= 101.25 ( 35 )

56


Cx = (431.92∗95.95)+(720.07∗26.25)+(846∗135)+(1026∗101.25)

95.95+26.25+135+101.25= 842 ( 36 )



Controlador de caudal de líquido de proceso (Enfriador)

Lo primero que se debe realizar es plantear que entradas y salidas que tendrá el sistema y entre que

rangos se evidencia el correcto funcionamiento de estas. Cabe aclarar que este sistema en la planta

real según el documento en que se basó, no cuenta con el control de acenso de temperatura, solo

puede disminuir la temperatura del proceso, pero se debe tener en cuenta que la planta real se

presentan alteraciones por factores externos como lo es la temperatura ambiente, con el fin de

entender esto mejor podría especificarse de la siguiente forma, al realizar el proceso de

enfriamiento de la leche el control en la planta real dejaría pasar el líquido de proceso por

intercambiador de calor dispuesto en un tanque con un líquido refrigerante a -15°C, para llevar el

líquido de proceso a una temperatura de 4°C e ira cerrando la válvula lentamente. Pero esta leche

no se mantendrá siempre a esta temperatura, esta comenzara a calentarse lentamente, para que

luego se efectué nuevamente el control y mantenga esta temperatura, pero al ser este un proceso de

simulación no se evidenciara esto, por lo tanto como una función de transferencia debería responder

correctamente a valores positivos y negativos se ha planteado la creación de una parte negativa

para la apertura de la válvula de caudal, de tal forma que se pueda realizar un aumento de

temperatura, y realizar un control más eficiente y real en esta simulación.

- Error de Temperatura, tipo entrada y su rango de datos esta entre -90 °C y 90°C.

- Angulo de apertura de válvula, tipo salida y su rango de datos esta entre -180° y 180°




a este proceso (Mancipe & Rivera, 2016)

Error de Temperatura Entrada

Variables

lingüísticas

Descripción Rango

(°C)

ENSG Error negativo supremamente grande -90 a -30


57

ENM Error negativo mediano -24 a -10

ENP Error negativo pequeño -15 a -5

ENSP Error negativo supremamente pequeño -10 a 0

ECERO Error en cero 0

EPSP Error positivo supremamente pequeño 0 a 5

EPP Error positivo pequeño 2.5 a 10


EPG Error positivo grande 10 a 30

EPSG Error positivo supremamente grande 20 a 90 Tabla 16. Variables lingüísticas planteadas para la entrada del enfriador. (Fuente: elaboración propia)

Angulo de Válvula de salida

Variables

lingüísticas

Descripción Rango (°)

ANSG Angulo negativo supremamente grande -180 a -120

ANG Angulo negativo grande -150 a -70

ANM Angulo negativo mediano -105 a -35

ANP Angulo negativo pequeño -60 a -10

ANSP Angulo negativo supremamente pequeño -18 a 0

ACERO Error en cero 0

APSP Angulo positivo supremamente pequeño 0 a 20

APP Angulo positivo pequeño 10 a 70


APG Angulo positivo grande 80 a 160

APSG Angulo positivo supremamente grande 130 a 180 Tabla 17. Variables lingüísticas planteadas para la salida del enfriador. (Fuente: elaboración propia)


controlador:

58

Figura 60. Esquemático del controlador de la caldera. (Fuente: elaboración propia)


triangular menos ENSG, EPSG, ANSG y APSG, los cuales serán de tipo trapezoidal ya que en

estas variables lingüísticas se necesita que el valor a asociado se mantenga un mayor tiempo.

Obteniendo lo siguiente

Figura 61. Funciones de pertenencia implementadas para la entrada del controlador del enfriador. (Fuente:


59

Figura 62. Funciones de pertenencia implementadas para la salida del controlador del enfriador. (Fuente: elaboración

propia)



Figura 63. Reglas utilizadas para el controlador de caudal de líquido de proceso en el enfriador. (Fuente: elaboración

propia)

60


observar le respuesta del controlador de entrada vs salida, y la respuesta por parte de las reglas de

control.

Figura 64. Respuesta del controlador Error Temperatura VS Angulo. (Fuente: elaboración propia)

61



ello se tuvo en cuenta que el error de entrada es la respuesta en lazo cerrado. Por lo tanto, se obtuvo

lo siguiente:

Figura 66. Controlador de caudal de líquido de proceso para el enfriador. (Fuente: elaboración propia)


62

Figura 67. Respuesta del sistema de control para el enfriador. (Fuente: elaboración propia)


nivel 0 por lo tanto la temperatura inicial es 0°C, en este caso para la simulación se utilizó una

señal paso con un valor inicial de 80 °C que luego será enviado a 4°C esto con el fin de validar la

respuesta de aumento y disminución de temperatura.




Para este caso se tomará como valor de entrada el error de temperatura -23 °C como se muestra en

la siguiente figura:

Figura 68. Respuesta de las reglas de control para la entrada de -23 °C. (Fuente: elaboración propia)

63


se evidencia que son ENM y ENG, las cuales son de tipo triangular, luego de esto se debe tener en

cuenta:






ENM Error negativo mediano -24 a -10 Tabla 18. Variables lingüísticas de entrada aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia)

μ1 =−20+23

−20+30= 0.3 ( 37 )

μ2 =−23+24

−18+24= 0.166 ( 38 )



64

Figura 70. Reglas de control aplicadas al control difuso del flujo de vapor. (Fuente: elaboración propia)


salida en este caso estaría relacionada con las funciones de membresía APM y APG. Lo siguiente

es aplicar la defuzzificacion que en este caso es el método de centroide para lo cual se aplicara la

fórmula:

Cx = ∑ AsXi∗Cxi

∑ AsXi ( 39 )



Figura 71. Funciones de membresía relacionadas a la salida. (Fuente: elaboración propia)





APG Angulo positivo grande 80 a 160 Tabla 19. Variables lingüísticas de salida aplicadas en el ejemplo. (Fuente: elaboración propia)

65

Cx1 = 40 + 0.166(80 − 40) = 46.64 ( 40 )

Cx2 = 120 − 0.166(120 − 80) = 113.36 ( 41 )

Cx3 = 80 + 0.3(120 − 80) = 118 ( 42 )

Cx4 = 160 − 0.3(160 − 120) = 148 ( 43 )


AsX1 = (113.36 − 46.64) ∗ 0.166 = 11.07 ( 44 )

AsX2 =(118−113.36)(0.3−0.166)

2= 0.31 ( 45 )

AsX3 = (148 − 118) ∗ 0.3 = 9 ( 46 )

AsX4 =(160−148)∗0.3

2= 1.8 ( 47 )


Cx = (46.64∗11.07)+(113.36∗0.31)+(118∗9)+(148∗1.8)

11.07+0.31+9+1.8= 98.243 ( 48 )



7.4. Comunicación establecida por medio de los servidores OPC

Para la comunicación se opta por una comunicación OPC bidireccional, entre Matlab, más

específicamente Simulink con la utilización del bloque de OPC Toolbox el cual se puede observar

en la figura 72.

66

Figura 72. Toolbox OPC. (Fuente: elaboración propia)

Y el PLC simulado Softlogix5800 de Rockwell Automation, el cual permite que la computadora

se comporte como un PLC simulado, creando módulos de entradas, salidas, y comunicación. En la

figura 73 se puede observar el chasis del PLC simulado

Figura 73. Monitor Softlogix. (Fuente: elaboración propia)

Esta comunicación es posible gracias al servidor OPC que trae integrado el paquete de Rockwell,

el cual es el RSLinx Classic que es compatible con OPC Data Access y un servidor DDE, la interfaz

de este servidor se puede apreciar en la siguiente figura 74.

67

Figura 74. RSLinx Classic. (Fuente: elaboración propia)

Entonces, para ver el paso a paso para poder establecer la comunicación OPC entre Matlab y el

PLC simulado Softlogix5800 se puede ver el Anexo 1.

Las variables OPC que se manejan en el proyecto se relacionan en la tabla 20, donde se puede

observar el nombre de la variable, si es de entrada o de salida y el tipo.

Nombre de la variable Lectura / escritura Tipo

SPph Lectura Real

SPcaldera Lectura Real

SPenfriador Lectura Real

pwmB Escritura Real

pwmA Escritura Real

salidaPH Escritura Real

aperturaCaldera Escritura Real

salidaCaldera Escritura Real

aperturaEnfriador Escritura Real

salidaEnfriador Escritura Real Tabla 20. Variables OPC. (Fuente: elaboración propia)

Estas variables ya implementadas se pueden observar en simulink en los bloques de OPC Read y

OPC Writte como se puede observar en las figuras 75 y 76.

68

Figura 75. Variables OPC lectura. (Fuente: elaboración propia)

Figura 76. Variables OPC escritura. (Fuente: elaboración propia)

69

Del mismo modo las variables se pueden observar desde el otro terminal, es decir, desde el

RSLogix5000 que es donde se desarrollan los programas que luego son descargados en el PLC

simulado Softlogix5800, como se puede ver en la figura 77.

Figura 77. Variables OPC en RSLogix5000. (Fuente: elaboración propia)

7.5. Implementación del sistema SCADA

El sistema SCADA se diseña e implementa en la herramienta Factory Talk View de Rockwell, en

su interfaz de Site Edition, en donde se diseñan 4 pantallas, las cuales se explican a continuación.

Cabe resaltar que para las tuberías se hace uso de la norma técnica colombiana NTC3458, la cual

rige la identificación de tuberías dentro de un proceso (INCONTEC, 1992). Es por esto que en la

figura 78 se puede observar que por donde pasa el líquido de proceso está la tubería de color negro,

verde para la tubería por donde pasa agua, gris para la tubería por donde pasa vapor y azul para la

tubería de la unidad del enfriador por donde pasa aire de enfriamiento.

Entonces la primera pantalla se llama principal y es la de bienvenida, en esta se puede observar el

título del proyecto, los nombres de los autores, la estación de dosificación, la estación de caldera y

la estación del enfriador, conectadas respectivamente y con su instrumentación. Adicional a esto

en la parte superior derecha se puede observar el menú de intercambio entre pantallas, el cual se

especifica su implementación en el anexo 2. Todo esto se puede observar en la figura 78.

70

Figura 78. Diseño pantalla principal planta pasteurizadora. (Fuente: elaboración propia)

Seguido a esto se diseña e implementa la pantalla de la estación de dosificación asemejándola lo

más posible a la real, es por esto que, se integra toda la instrumentación de esta etapa, 2 tanques de

proceso, sensores de nivel, sensores de temperatura, sensor de PH, 2 tanques pequeños para el ácido

y la base, bombas para impulsar el líquido, válvulas y un intercambiador de calor. Además, la

tubería de conexión, el campo para ingresar los valores de PH del proveedor y set point y los tags

que identifican cada elemento dentro del diagrama P&ID ver Anexo 3. Esto se puede ver en la

figura 79.

Figura 79. Estación de dosificación completa. (Elaboración propia)

71

Del mismo modo se integran 3 gráficas de tendencia, las cuales son para visualizar la respuesta del

control de Ph, el PWM de apertura del tanque de ácido y el PWM de apertura del tanque de la base,

y de nuevo en la parte superior derecha, el menú para el cambio de pantallas, lo anterior se puede

apreciar en la figura 80.

Figura 80. Gráficas de tendencia del dosificador. (Fuente: elaboración propia)

Seguido a esto se diseña e implementa la pantalla de la estación de calentamiento asemejándola lo

más posible a la real, es por esto que, se integra toda la instrumentación de esta etapa, 2 tanques,

uno de reserva y otro de proceso, sensor de nivel, sensor de temperatura, sensor de presión, bombas

para impulsar el agua, válvulas, una resistencia de calentamiento, y una válvula de seguridad.

Además, la tubería de conexión, el campo para ingresar los valores del set point de temperatura, la

indicación de salida de vapor y los tags que identifican cada elemento dentro del diagrama P&ID

ver anexo 3. Todo lo anterior se puede observar en la figura 81.

72

Figura 81. Estación de calentamiento completa. (Fuente: elaboración propia)

Igualmente se integran 2 gráficas de tendencia, las cuales son para visualizar la respuesta del

control de la temperatura y la apertura de la válvula proporcional CV-105 en grados sexagesimales.

De nuevo en la parte superior derecha, el menú para el cambio de pantallas, lo anterior se puede

apreciar en la figura 82.

Figura 82. Gráficas de tendencia de la caldera. (Fuente: elaboración propia)

73

Por último, se diseña e implementa la pantalla de la estación de enfriamiento asemejándola lo más

posible a la real, es por esto que, se integra toda la instrumentación de esta etapa, 2 tanques, uno

para el líquido refrigerante y otro para el producto final, sensor de nivel, sensores de temperatura

ubicados en termo pozos, una bomba para impulsar la leche, una válvula proporcional, un

intercambiador de calor y toda la unidad refrigerante. Además, la tubería de conexión, el campo

para ingresar los valores del set point de temperatura, la indicación de entrada de leche y los tags

que identifican cada elemento dentro del diagrama P&ID. Todo lo anterior se puede ver en la figura

83.

Figura 83. Estación de enfriamiento completa. (Fuente: elaboración propia)

De la misma manera se integran 2 gráficas de tendencia, las cuales son para visualizar la respuesta

del control de la temperatura y la apertura de la válvula proporcional CV-104 en grados

sexagesimales. De nuevo en la parte superior derecha, el menú para el cambio de pantallas, lo

anterior se puede apreciar en la figura 84.

74

Figura 84. Gráficas de tendencia del enfriador. (Fuente: elaboración propia)

Por otro lado, estas 4 pantallas se integran en un solo aplicativo con la ayuda de la herramienta de

Factory Talk View Site Edition Client, por medio del cual se crea un cliente y luego se ejecuta para

poder intercambiar entre pantallas y abarcar la mayoría de espacio en el monitor del PC, este

procedimiento se puede ver en detalle en el anexo 2.

7.6. Pruebas realizadas

En la figura 85 se puede observar la planta real ubicada en el laboratorio de electrónica de la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, se expone esto con el fin de

ver las grandes similitudes con respecto a la planta simulada en las pruebas que se van a presentar

enseguida.

75

Figura 85. Planta pasteurizadora real. (Fuente: elaboración propia)

Entonces, se explica el modo para poner en operación la simulación de la planta pasteurizadora, ya

que se deben tener unos cuidados específicos a la hora de manipular los programas.

Para empezar, se debe primero descargar y ejecutar los programas al PLC simulado Softlogix5800

desde RSLogix5000, luego ejecutar el sistema SCADA en Factory Talk View por medio del cliente

de site edition y finalmente ejecutar el programa en Simulink.

Luego de tener las 3 plataformas en funcionamiento, el proceso de simulación de la planta

pasteurizadora empieza con una pantalla principal de bienvenida la cual se puede observar en la

figura 86.

Figura 86. Pantalla principal planta pasteurizadora. (Fuente: elaboración propia)

76

En esta pantalla se puede observar toda la simulación de planta pasteurizadora de leche, compuesta

por la estación de dosificación, caldera y enfriador. Del mismo modo en la parte superior derecha

se puede ver el menú de pantallas para poder entrar en cada etapa del proceso y visualizar su

funcionamiento.

Para empezar la simulación del proceso de pasteurización se debe garantizar unas condiciones

iniciales, estás condiciones se deben hacer como preliminares y básicamente consiste en que se

debe tener vapor sobre calentado en la caldera, subiendo la presión a 40 Psi y por otro lado se debe

encender la unidad de refrigeración del enfriador y llevar la temperatura del líquido refrigerante a

-15°C.

Es por esto que se debe ir a la pantalla de caldera, en la cual se debe dar clic en el botón de inicio

para empezar todo el proceso, como se puede observar en la figura 87.

Figura 87. Inicio en estación de calentamiento. (Fuente: elaboración propia)

Luego se debe llenar el tanque de reserva TK-002 por medio de la activación de la válvula manual

HV-001, el tanque de reserva se debe llenar hasta 40 L, esto se puede observar en la siguiente figura

88.

77

Figura 88. Llenado de tanque de reserva TK-002. (Fuente: elaboración propia)

Inmediatamente se llena el tanque de reserva, se activa la bomba P-001 para empezar a llenar el

tanque de la caldera TK-001 hasta 8L, lo cual es indicado por el sensor de nivel LT-102 y se activa

la resistencia de calentamiento R-001. Esto se puede ver en la figura 89.

Figura 89. Llenado caldera TK-001. (Fuente: elaboración propia)

78

Luego se debe empezar a calentar la caldera y del mismo modo se sube la presión, la cual es

simulada por el slider respectivo y medida por PT100, se debe llevar a 40 Psi, que equivale a 132,3

°C aproximadamente, lo cual es medido por TT100. Esto se puede ver en la figura 90.

Figura 90. Presión de caldera. (Fuente: elaboración propia)

En esta parte el sistema de la caldera tiene una alarma y consiste en que, si por algún motivo la

presión sigue subiendo y sobre pasa los 50 Psi, se activa una alarma que indica que se debe abrir

la válvula de alivio HV-106, como se puede observar en la figura 91.

Figura 91. Alarma de sobrepresión. (Fuente: elaboración propia)

79

Ahora bien, si no se abre la válvula de alivio, el sistema tiene una protección, la cual consiste en

que, si la presión sobre pasa los 60 Psi, se activa la válvula de seguridad PV-106 la cual deja salir

vapor para bajar la presión por debajo de los 60 Psi, como se puede apreciar en la siguiente figura

92.

Figura 92. Protección válvula de seguridad. (Fuente: elaboración propia)

Para salir de la alarma, como está la indica, se debe abrir la válvula de alivio HV-106 para dejar

salir el vapor y bajar la presión.

Figura 93. Activación válvula de alivio. (Fuente: elaboración propia)

80

Finalmente se debe dejar la caldera en la condición de que quede la presión en 40 Psi como se pudo

observar en la figura 90.

Seguido a esto se debe garantizar la otra condición inicial, la cual es encender la unidad de

refrigeración, activando la unidad A-1, para empezar a enfriar el líquido refrigerante que contiene

el tanque TK-005, como se puede ver en la figura 94.

Figura 94. Encendido de unidad de refrigeración. (Fuente: elaboración propia)

Luego se debe llevar la temperatura del líquido refrigerante a -15°C, esto se realiza con el

respectivo slider con el cual se simula la respuesta del sensor de temperatura TE-105. Esto se puede

ver en la figura 95.

Figura 95. Temperatura líquido refrigerante. (Fuente: elaboración propia)

81

Luego de garantizar estas condiciones iniciales, ahora si empieza el proceso con la llegada de la

leche por parte del proveedor al sistema de dosificación, en el cual se deben ingresar 15L de leche

en el tanque superior TK-003 y este nivel es detectado por LSH-103. Ver figura 96.

Figura 96. Estación de dosificación en funcionamiento. (Fuente: elaboración propia)

En esta parte como primera medida se debe ingresar el valor de Ph con el que llega la leche por

parte del proveedor, que puede estar entre 0 - 14 Ph, y también ingresar el set point de Ph al que se

quiere llevar la leche, que puede estar entre 6.5 - 6.8, luego de esto se abre la válvula manual HV-

002 para ingresar la leche al tanque superior TK-003, como se puede observar en la figura 97.

Figura 97. Ingreso ph proveedor y set point deseado. (Fuente: elaboración propia)

82

En este caso se ingresa 11.5 ph como el valor de ph con el que llega la leche y 6.6 como el set point

al que se va llevar el ph de la leche. Por otro lado, antes de corregir el ph, se debe simular la

respuesta del sensor de temperatura TE-103 para medir la temperatura con la que llega la leche, la

cual debe estar entre 17 y 20 °C, esto se simula con el respectivo slider.

Ahora bien, como el ph del proveedor es mayor que el set point seleccionado, se debe agregar ácido

para bajar el ph, esta parte se simula activando el tanque de ácido TK-180, adicionalmente se

muestra el valor de apertura de PWM del tanque como se puede ver en la siguiente figura 98.

Figura 98. Bajar el ph con ácido. (Fuente: elaboración propia)

La respuesta del PWM de ácido y base se puede observar en la figura 99, donde se ve que se agrega

ácido, pero base no.

83

Figura 99. Respuesta PWM ácido y base. (Fuente: Elaboración propia)

Estás gráficas se pueden verificar con las generadas en Simulink, con lo cual se puede observar

que son similares, como se puede ver en la figura 100.

Figura 100. Respuesta de ácido y base en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

Del mismo modo, se puede observar la respuesta del control alcanzando el set point seleccionado,

esta respuesta se puede ver en la gráfica del sensor de Ph AE103 y de igual manera se puede

verificar con la respuesta en Simulink, como se puede apreciar en las figuras 101 y 102.

84

Figura 101. Respuesta del control de Ph bajando. (Fuente: elaboración propia)

Figura 102. Respuesta del control de Ph bajando en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

Ahora se realiza el mismo procedimiento anterior pero ahora con un valor de Ph del proveedor

inferior al set point seleccionado, para esto se ingresa 4 Ph como el valor con el que llega la leche

y 6.7 como el set point seleccionado. Como se puede observar en la figura 103 se activa el tanque

de la base TK-181 y se muestra el valor de PWM respectivo.

85

Figura 103. Subir el Ph con base. (Fuente: elaboración propia)

La respuesta del PWM de ácido y base se puede observar en las figuras 104 y 105, donde se ve que

se agrega base, pero ácido no. Y de igual manera se puede verificar con las gráficas generadas en

Simulink.

Figura 104. Respuesta PWM base y ácido. (Fuente: elaboración propia)

86

Figura 105. Respuesta base y ácido en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

De igual manera, se puede observar la respuesta del control alcanzando el set point seleccionado,

esta respuesta se puede ver en la gráfica del sensor de Ph AE103 y de igual manera se puede

verificar con la respuesta en Simulink, como se puede apreciar en las figuras 106 y 107.

Figura 106. Respuesta del control de Ph subiendo. (Fuente: elaboración propia)

87

Figura 107. Respuesta del control de Ph subiendo en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

Después de ajustar el Ph se activa la bomba P-003 para pasar la leche del tanque superior al tanque

inferior TK-004, por medio de la válvula CV-103 que es una vávula proporcional, pero en la

actualidad se comporta como una simple válvula para dejar pasar el líquido. Además, en la figura

108, se puede observar que la leche llega con la temperatura que trae del tanque superior y esta es

medida con el sensor de temperatura TE-104.

Figura 108. Líquido en tanque de calentamiento TK-004. (Fuente: elaboración propia)

88

En este momento el líquido ya está listo para ser calentado hasta conseguir una temperatura de

80°C, para ello se debe ir a la pantalla de la estación de calentamiento y elegir el set point deseado.

Cabe aclarar que el proceso sigue cuando la temperatura llega a los 80°C, pero se deja que el set

point sea ingresado en un rango entre 20 y 80°C para visualizar la respuesta del control en otros

puntos.

En la figura 109 se puede observar que se ingresa un set point de 80°C y empieza a salir vapor de

la caldera por medio de la válvula proporcional CV-105, hacia el intercambiador de calor E-004

que está sumergido en el tanque TK-004 donde se encuentra la leche. De igual manera se puede

apreciar la activación dicha válvula y el indicador de los grados sexagesimales de apertura de la

misma.

Figura 109. Salida de vapor de la caldera. (Fuente: elaboración propia)

De igual manera en la estación de dosificación se puede observar cómo llega el vapor y empieza a

calentar el líquido por medio de la activación del intercambiador de calor E-004 y esta temperatura

es medida por el sensor TE-104, con el cual se muestra el incremento de la temperatura. Esto se

puede apreciar en la siguiente figura 110.

89

Figura 110. Entrada de vapor proveniente de la caldera. (Fuente: elaboración propia)

La respuesta de la apertura de la válvula proporcional CV-105 en grados sexagesimales (°) se puede

ver en las figuras 111 y 112, donde también se verifica la forma de la señal, con la generada por

Simulink.

Figura 111. Apertura CV-105. (Fuente: elaboración propia)

90

Figura 112. Apertura CV-105 en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

Del mismo modo la respuesta del control se puede ver en la figura 113, la cual es la respuesta del

sensor TE-104 que es el que está midiendo el calentamiento del líquido. Allí se observa que se

alcanza el set point ingresado (80°C) y se verifica también la respuesta del control en simulink en

la figura 114.

Figura 113. Respuesta del control de la caldera. (Fuente: elaboración propia)

91

Figura 114. Respuesta del control de la caldera en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

Luego de calentar la leche a 80°C el sistema da la orden de salida de la leche, activando la bomba

P-004 de la estación de dosificación como se puede ver en la siguiente figura 115.

Figura 115. Salida de leche de la estación de dosificación. (Fuente: elaboración propia)

92

Este líquido llega a la estación de enfriamiento en donde se le baja la temperatura hasta alcanzar

4°C, entonces la leche entra por la válvula proporcional CV-104 y circula por la tubería que está

inmersa en el líquido refrigerante para hacer un choque térmico y empezar a bajar la temperatura,

hasta llegar al tanque de producto final TK-006. En la figura 116 se puede observar que se ingresa

un set point de 4°C y el sistema empieza a funcionar, dejando pasar la leche por la tubería y además

indicando los grados sexagesimales de apertura de la válvula y las temperaturas en cada etapa.

Figura 116. Funcionamiento de la estación de refrigeración. (Fuente: elaboración propia)

Finalmente, la temperatura llega al set point ingresado y a su vez la leche llega al tanque final de

producto TK-006, este tanque se llena con la totalidad de la leche, es decir 15L lo cual es indicado

por el sensor de nivel LE-106 y de esta manera termina todo el proceso. Esto se puede ver en la

figura 117.

Figura 117. Etapa final del proceso de pasteurización. (Fuente: elaboración propia)

93

La respuesta de la apertura de la válvula proporcional CV-104 en grados sexagesimales (°) se puede

ver en las figuras 118 y 119, donde también se verifica la forma de la señal, con la generada por

Simulink.

Figura 118. Apertura CV-104. (Fuente: elaboración propia)

Figura 119. Apertura CV-104 en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

Del mismo modo la respuesta del control se puede ver en la figura 120, la cual es la respuesta del

sensor TE-406 que es el que está midiendo la temperatura de salida del líquido. Allí se observa que

se alcanza el set point ingresado (4°C) y se verifica también la respuesta del control en simulink en

la figura 121.

94

Figura 120. Respuesta del control del enfriador. (Fuente: elaboración propia)

Figura 121. Respuesta del control del enfriador en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

95

8. Conclusiones y Recomendaciones

- El control difuso es un sistema que permite realizar controladores con solo conocer el

funcionamiento de un proceso, es necesario conocer las entradas, salidas y establecer unas

reglas de control. En donde se puede tomar como base, la documentación, así como en este

caso que se utilizó proyectos de grados anteriores para entender el funcionamiento de la

planta, adicionalmente se pudo comprender que a través de la implementación de un control

difuso se puede obtener un algoritmo matemático que se realiza por cada cambio registrado

en la entrada.

- La herramienta Fuzzy Logic Designer de Matlab permite realizar controladores difusos de

una manera eficiente y completa en donde uno puede manipular los métodos a utilizar ya

sea en la Fuzzificación, método de inferencia o Defuzzicación, utilizando métodos de

máximos, mínimos, centroide, entre otros. Adicionalmente esta herramienta nos permite

simular la respuesta del controlador en Simulink mediante bloques o en Matlab mediante

código, como se pudo constatar en este trabajo de grado con las gráficas obtenidas en

Matlab y el proceso de simulación de Factory Talk View Site Edition.

- La comunicación OPC se pudo establecer satisfactoriamente, aunque esta presenta unos

retardos que responden a las características de procesador y memoria ram del computador

en donde se ejecute, y más aún si es una máquina virtual como es el caso de este trabajo de

grado, sin embargo, dicha comunicación fue estable y suficiente para realizar el proyecto.

- El uso de la herramienta Factory Talk View Site Edition Client es útil e importante para la

implementación del sistema SCADA, ya que por medio de esta se puede crear un cliente,

el cual, brinda la posibilidad de crear un menú para cambiar de pantalla en estado de

ejecución, permite abarcar todos los pixeles de la pantalla del computador, haciendo que se

aproveche mejor el espacio de trabajo en las pantallas y crea un ejecutable que se puede

utilizar sin necesidad de abrir el programa FactoryTalk View Site Edition.

- La simulación de la planta pasteurizadora de leche del laboratorio de electrónica de la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica es una herramienta

importante que aporta al desarrollo integral y de calidad de los estudiantes de Ingeniería en

Control y Automatización, ya que en ocasiones que no se pueda acceder físicamente a la

planta, se podrá conocer la instrumentación de cada etapa del proceso, así como

implementar controladores en Matlab que permitan estabilizar variables, seguir paso a paso

el proceso de pasteurización y desarrollar prácticas de laboratorio.

96

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98

10. Anexos

10.1. Anexo 1 - Comunicación OPC

Para establecer la comunicación OPC, entre Matlab y el PLC simulado Softlogix5800 se deben

seguir los siguientes pasos:

Primero que todo se debe mirar si se puede acceder al RSLinx Classic, de manera que se debe

seguir la siguiente ruta: inicio, todos los programas, Rockwell Software, RSLinx, y abrir el

ejecutable de RSLinx Classic.

En caso de que no se ejecute el programa, entonces hacer previamente lo siguiente:

Ir al chasis monitor de Softlogix y en caso de que haya módulo de controlador este se debe remover

como se puede observar en la figura 1.

Figura 1. Chassis Monitor. (Fuente: elaboración propia)

Luego se debe acceder al panel de control del RSLinx Classic, para esto hay que ir a la siguiente

ruta: inicio, todos los programas, Rockwell Software, RSLinx, y abrir el ejecutable de RSLinx

Classic Launch Control Panel. En este panel se debe detener el programa RSLinx Classic, dando

clic en el botón de stop y desactivando la casilla de que se ejecute mientras está en servicio, como

se puede observar en la siguiente figura 2.

99

Figura 2. Control panel RSLinx Classic. (Fuente: elaboración propia)

De esta manera se detiene el servicio RSLinx Classic y se puede acceder a la interfaz del RSLinx

Classic siguiendo la ruta: inicio, todos los programas, Rockwell Software, RSLinx, y abrir el

ejecutable de RSLinx Classic.

Ya en la interfaz se debe ir a la pestaña DDE/OPC y abrir la opción Topic Configuration, o

configuración de tema, como se puede observar en la figura 3.

Figura 3. RSLinx Classic. (Fuente: elaboración propia)

Luego se debe crear y configurar un nuevo tema que será básicamente el nombre del servidor, para

esto se debe dar clic en new o nuevo y darle un nombre, como se puede ver en la siguiente figura

4, para este caso se llamó opc_pasteurizadora.

100

Figura 4. Crear nombre del servidor OPC. (Fuente: elaboración propia)

También se debe enlazar el nuevo servidor con el número del módulo del controlador, que en este

caso es el 2, para esto del lado izquierdo se debe seleccionar el servidor creado y del lado derecho

el número del módulo donde estará el controlador y se le da clic en el botón Apply o aplicar.

Figura 5. Enlazar servidor con módulo controlador. (Fuente: elaboración propia)

101

Luego de confirmar, se debe dar clic en el botón Done o hecho, y listo queda creado el tema del

servidor.

Se debe cerrar el programa, y volver a poner a correr el servicio en el RSLinx Classic Launch

Control Panel, dando clic en Start y activando la casilla de correr mientras este en servicio, como

se puede observar en la figura 6.

Figura 6. Panel de control RSLinx Classic. (Fuente: elaboración propia)

Luego se debe crear el módulo del controlador PLC simulado Softlogix5860 en el slot 2 del chasis

monitor

Figura 7. Crear módulo controlador. (Fuente: elaboración propia)

Luego de dar clic y hacer la configuración correspondiente, se debe abrir Matlab y acceder a

Simulink.

102

En donde se debe crear un nuevo archivo y se deben poner los bloques de OPC Configuration, OPC

Read y OPC Write, los cuales se encuentran en la librería de OPC Toolbox, como se puede apreciar

en la siguiente figura 8.

Figura 8. Bloques OPC. (Fuente: elaboración propia)

Luego se debe configurar uno por uno los módulos, empezando por el de OPC Configuration, en

el cual se va enlazar el tema del servidor anteriormente creado, para esto se debe dar doble clic en

el módulo y dar clic en la opción Configure OPC Clients

Figura 9. Bloque configuración OPC. (Fuente: elaboración propia)

103

En esta opción se debe seleccionar Add o agregar, y luego dar clic en select para seleccionar el

servidor OPC, luego en la pantalla de Select Server se debe seleccionar la opción RSLinx Remote

OPC Server y dar en Ok.

Figura 10. Seleccionar servidor OPC. (Fuente: elaboración propia)

Finalmente dando clic en Ok en la pantalla OPC Server Properties, aparece la conexión establecida,

como se puede ver en la figura 11.

Figura 11. Conexión OPC establecida. (Fuente: elaboración propia)

Luego se debe cerrar las ventanas y configurar los otros módulos. Para el OPC Red, se debe dar

doble click en el bloque y hacer click en el Add Items

104

Figura 12. Bloque OPC Red. (Fuente: elaboración propia)

En esta ventana es donde se van a crear las variables OPC de lectura que se necesitan para el

proyecto, el procedimiento para crearlas es [nombre del servidor]nombre de la variable y luego

pasarlo al lado derecho dando clic en el botón >>

Figura 13. Crear variables OPC de lectura. (Fuente: elaboración propia)

105

Figura 14. Variable OPC de lectura. (Fuente: elaboración propia)

Del mismo modo se debe crear una por una las variables y luego dar clic en Ok en esta ventana,

clic en aplicar y Ok en la ventana de propiedades del bloque.

Figura 15. Variables OPC de lectura. (Fuente: elaboración propia)

106

Después se debe configurar el bloque OPC Write de la misma manera, para lo cual se van a crear

las variables OPC de escritura, como se puede ver en la siguiente figura 16.

Figura 16. Variable OPC de escritura. (Fuente: elaboración propia)

De igual manera se debe crear una por una las variables y luego dar clic en Ok en esta ventana, clic

en aplicar y Ok en la ventana de propiedades del bloque.

Figura 17. Variables OPC de escritura. (Fuente: elaboración propia)

107

Para finalizar con Simulink, se debe implementar la siguiente configuración para probar la

conexión con Softlogix5800, como se puede ver en la figura 18.

Figura 18. Configuración con bloques OPC en Simulink. (Fuente: elaboración propia)

Ahora para realizar la configuración en RSLogix5000 que es el software para programar el PLC

simulado Softlogix5800. Se debe crear un nuevo proyecto, y crear las variables OPC en el

Controller Tags, se debe tener especial cuidado en que el nombre debe ser igual al que se creó en

Simulink como se puede ver en la siguiente figura 19.

Figura 19. Variables OPC en RSLogix5000. (Fuente: elaboración propia)

108

Finalmente se debe poner a correr los programas en el siguiente orden, primero se debe descargar

y ejecutar el programa en RSLogix5000 y luego poner a correr el programa en Simulink y verificar

que la conexión queda establecida.

Primero se ve como desde RSLogix5000 se puede enviar el valor 7 en la variable SPph, el valor 17

en SPcaldera y el valor 25 en el SPenfriador, y se lee en Simulink, como se puede ver en la siguiente

figura 20.

Figura 20. Conexión OPC funcionando en lectura. (Fuente: elaboración propia)

Ahora en la figura 21 se puede observar cómo se escribe valores desde Simulink a RSLogix5000

Figura 21. Conexión OPC funcionando en escritura. (Fuente: elaboración propia)

109

10.2. Anexo 2 – Cliente Site Edition

Con el fin de obtener un sistema Scada completo se utilizó la herramienta FactoryTalk View Site

Edition Client para generar un ejecutable de la HMI de proceso.

Para usar esta herramienta se tuvo que acceder a la ruta Inicio – Rockwell Software – FactoryTalk

View y ejecutar la herramienta FactoryTalk View Site Edition Client, como se observa en la figura

22.

Figura 22. Ruta de acceso para la herramienta FactoryTalk View Site Edition Client. (Fuente: elaboración propia)

Figura 23. Ventana de inicio para la herramienta FactoryTalk View Site Edition Client. (Fuente: elaboración propia)

110

Luego se seleccionó la opción New en donde se nos redirigió a una nueva ventana, como se observa

en la siguiente figura 24.

Figura 24. Ventana de ingreso para nombre y ubicación. (Fuente: elaboración propia)

En esta venta tuvimos que ingresar el nombre del ejecutable o cliente a generar, adicionalmente la

ruta en donde será almacenada. Luego de ello le dimos la opción Next para pasar a la siguiente

ventana, como se observa en la figura 25.

Figura 25. Ventana de selección de tipo de cliente. (Fuente: elaboración propia)

111

En esta venta se seleccionó la opción Local ya que se está trabajando con la versión Site Edition

de FactoryTalk View, luego dimos en la opción Next para que se nos evidenciara una nueva

ventana, como se observa en la siguiente figura 26.

Figura 26. Ventana de selección para el programa de FactoryTalk View SE a trabajar. (Fuente: elaboración propia)

En esta ventana se seleccionó el proyecto de FactoryTalk View al cual se relacionará este cliente o

ejecutable que se está creando, luego dimos en la opción Next para que se nos evidenciara una

nueva ventana, como se observa en la siguiente figura 27.

Figura 27. Ventana de configuración de display inicial. (Fuente: elaboración propia)

112

En esta ventana se seleccionó la HMI inicial del proceso, luego dimos en la opción Next para que

se nos evidenciara una nueva ventana, como se observa en la figura 28.

Figura 28. Ventana de configuración de parámetros adicionales. (Fuente: elaboración propia)

En esta ventana se ingresaron las configuraciones necesarias para que el cliente o ejecutable sea

modificable y manipulable, luego dimos en la opción Next para que se nos evidenciara una nueva

ventana, como se observa en la siguiente figura 29.

Figura 29. Ventana de configuración de tiempo de inactividad. (Fuente: elaboración propia)

113

En esta ventana no se realizaron configuración solo se seleccionó opción Next para que se nos

evidenciara una nueva ventana, como ve en la figura 30.

Figura 30. Ventana de creación final. (Fuente: elaboración propia)

Por último, se selecciona la opción de preferencia ya sea para guardar y ejecutar o guardar y salir,

luego dimos en la opción Finish, la cual nos crea el cliente o ejecutable obteniendo como resultado

un acceso directo para la ejecución de este, como se observa en la siguiente figura 31.

Figura 31. Ejecutable generado. (Fuente: elaboración propia)

Adicionalmente cabe especificar que en FactoryTalk View Site Edition no existen elementos muy

claros para el cambio de pantallas, por esa razón se utilizó la herramienta Display List Selector la

cual permite crear una lista de pantallas y cambiar entre ellas, como se evidencia en la figura 32.

114

Figura 32. Pantalla Principal del sistema SCADA. (Fuente: elaboración propia)

Adicionalmente el bloque del Display List se encuentra en la interfaz de Factory Talk View Site

Edition, exactamente donde se puede ver en la figura 33.

Figura 33. Bloque Display List Selector. (Fuente: elaboración propia)

Por último, la configuración utilizada para el bloque Display List Selector es la indicada en la

siguiente figura 33.

Figura 34. Configuración establecida para el bloque Display List Selector. (Fuente: elaboración propia)

115

10.3. Anexo 3 – Diagrama P&ID

Para poder observar y explicar de una forma más sencilla el diagrama se separa en las partes

identificadas por cada planta y al final se muestra el diagrama completo:

P&ID Enfriador:

Figura 34. Diagrama P&ID del proceso área del enfriador. (Fuente: elaboración propia)

116

Basándonos en el proyecto de grado relacionado con el sistema de refrigeración (Mancipe &

Rivera, 2016) obtenemos que:

TAG´s Descripción de elemento P&ID Descripción de elemento real

TK – 005 Tanque de proceso Depósito del líquido producto

procesado

TK – 006 Tanque de proceso Depósito de líquido refriante e

intercambiador de temperatura

E – 005 Intercambiador de calor Intercambiador de calor tipo

Serpentín

LS – 106 Sensor de nivel Sensor de nivel tipo boya horizontal,

salida ON / OFF

LT – 106 Transmisor de nivel Transmisor interno realizado con

programación lógica

LI – 106 Indicador de nivel Indicador de nivel en PLC.

TS – 406 Sensor de temperatura Sensor de tipo NTC 10 KΩ

TT – 406 Transmisor de temperatura Transmisor de corriente 4-20mA

TI – 406 Indicador de temperatura Indicador de temperatura en PLC










A – 001 Equipo de refrigeración Nevera de baja dimensión y

capacidad

CV – 104 Válvula de tipo bola Válvula de tipo bola de operación

manual de ½”

FC – 104 Controlador de flujo Servomotor acoplado a la válvula y

manipulado por medio del tablero

eléctrico Tabla 1. Información del diagrama P&ID del área de refrigeración. (Fuente: elaboración propia)

117

P&ID Dosificador:

Figura 35. Diagrama P&ID del proceso área del dosificador. (Fuente: elaboración propia)

Basándonos en el proyecto de grado relacionado con el sistema de dosificación (Perez, 2016)

obtenemos que:

118

TAG´s Descripción de elemento

P&ID

Descripción de elemento real

TK – 003 Tanque de proceso Tanque nivel 1 fabricado en acrílico de

5mm de espesor, de color Blanco con

capacidad 20 Litros y control de PH

TK – 004 Tanque de proceso Tanque nivel 2 fabricado en acrílico de

5mm de espesor, de color Blanco con

capacidad 20 Litros y control de

calentamiento

TK – 180 Tanque de proceso Dosificador eléctrico de 0 a 5v para el

suministro de Ácido Cítrico.

TK – 181 Tanque de proceso Dosificador eléctrico de 0 a 5v para el

suministro de Bicarbonato de Sodio.

E – 004 Intercambiador de calor A través de este circula el vapor

sobrecalentado que proviene de la Etapa

Caldera, está fabricado en aluminio y tiene

aletas que le permiten el rápido

intercambio de calor.

LSH – 103 Sensor de nivel alto Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para

indicar la capacidad máxima de producto

del tanque1.

LT – 103 Transmisor de nivel Transmisor interno en PLC

LI – 103 Indicador de nivel Indicador de nivel interno en PLC

LSL – 103 Sensor de nivel bajo Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para

indicar la capacidad mínima de producto

del tanque1.


TS – 103 Sensor de temperatura Sensor que registra temperatura del

tanque1 (Tk-003) de calor. Rango: -20 ºC

a 150 ºC

TT – 103 Transmisor de temperatura Transmisor interno en PLC

TI – 103 Indicador de temperatura Indicador de temperatura interno en PLC

M – 180 Compresor de aire Compresor de aire para el accionamiento

del dosificador

M – 181 Compresor de aire Compresor de aire para el accionamiento

del dosificador

FIC – 103 Controlador e indicador de

flujo

Controlador interno en PLC

FC – 103 Controlador de flujo Controlador interno en PLC

CV – 103 Válvula Ref. 2W040-10, Port Size: ½ ’’ Standard

Voltage: 110 VAC Working Pressure

Water: 0-0,07Mpa Ubicado a la salida del

tanque1 (TK-003).

119

AE – 103 Sensor de PH Sensor de pH que registra los valores de

pH del producto en el tanque 1 (TK-003)

P – 002 Bomba Se utiliza para homogenizar la mezcla, es

una bomba dispuesta para hacer

recirculación en el tanque1 (TK-003), su

potencia nominal es de 32W.

P – 003 Bomba Bomba de salida del tanque1 (Tk-003) que

suministra la entrada del producto al

tanque2 (Tk-004). Su potencia nominal es

de 32W.

P – 004 Bomba Es la encargada de entregar el producto a

la Etapa de Enfriamiento, esto lo realiza

después que la temperatura llegue a 70

grados centígrados en el tanque 2, su

potencia nominal es de 85W.

FC – 104 Controlador de flujo Control mediante PLC

LSH – 104 Sensor de nivel alto Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para

indicar la capacidad máxima de producto

del tanque2.


LI – 104 Indicador de nivel Indicador de nivel interno en PLC

LSL – 104 Sensor de nivel bajo Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para

indicar la capacidad mínima de producto

del tanque2.


TS – 104 Sensor de temperatura Sensor que registra temperatura del

tanque2 (Tk-004) de calor. Rango: -20 ºC

a 150 ºC

TT – 104 Transmisor de temperatura Transmisor interno en PLC

TI – 104 Indicador de temperatura Indicador de temperatura interno en PLC Tabla 2. Información del diagrama P&ID del área de dosificación. (Fuente: elaboración propia)

120

P&ID Caldera:

Figura 36. Diagrama P&ID del proceso área de la caldera. (Fuente: elaboración propia)

Basándonos en el proyecto de grado relacionado con el sistema de dosificación (Bolivar &

Martinez, 2019) obtenemos que:

121

TAG´s Descripción de elemento P&ID Descripción de elemento real

TK – 001 Tanque de proceso Tanque en acero de generación de

vapor

TK – 002 Tanque de proceso Tanque en acrílico para reserva de

liquido

R – 001 Resistencia eléctrica Resistencia eléctrica de 220 VAC

que calienta el agua que está dentro

de la caldera.

LT – 102 Transmisor de nivel Dispositivo óptico con salida ON /

OFF.

LI – 102 Indicador de nivel Indicador interno en controlador

TS – 100 Sensor de temperatura PT 100 industrial

TT – 100 Transmisor de temperatura RTD PT100 de 4 a 20 mA

TI – 100 Indicador de temperatura Indicador interno en controlador

PI – 106 Indicador de presión Manómetro de rango superior a 60

PSI

HV – 106 Válvula manual Válvula de bola para controlar

presión interna

PV – 106 Válvula de presión Limitar la presión de la caldera no

mayor a 60PSI.

FC – 105 Controlador de flujo Controlador interno en PLC

CV – 105 Válvula de conducción Controlar el flujo de vapor que sale

de la caldera.

HA – 101 Alarma manual Nivel bajo del visor de nivel de la

caldera.

HA – 102 Alarma manual Nivel alto del visor de nivel de la

caldera.

HV – 101 Válvula manual Limitar el paso del agua en un

sentido y dejar paso libre en el

contrario.

HV – 103 Válvula manual Para el desagüe de la caldera.

P – 001 Bomba Succión y descarga de agua hacia la

caldera. Tabla 3. Información del diagrama P&ID del área de caldera. (Fuente: elaboración propia)

Anexo 3 - Diagrama P&ID

AutoCAD SHX Text

TK-003

AutoCAD SHX Text

.

AutoCAD SHX Text

HV-002

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

D-LI-103

AutoCAD SHX Text

D-TI-103

AutoCAD SHX Text

LSH

AutoCAD SHX Text

LSH

AutoCAD SHX Text

LSH

AutoCAD SHX Text

LSH

AutoCAD SHX Text

D-LSH-103

AutoCAD SHX Text

LSL

AutoCAD SHX Text

LSL

AutoCAD SHX Text

D-LSL-103

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

D-TE-103

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

D-LT-103

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

D-LT-104

AutoCAD SHX Text

D-TT-103

AutoCAD SHX Text

TK-180

AutoCAD SHX Text

TK-181

AutoCAD SHX Text

M

AutoCAD SHX Text

180

AutoCAD SHX Text

D-M-180

AutoCAD SHX Text

M

AutoCAD SHX Text

181

AutoCAD SHX Text

D-M-181

AutoCAD SHX Text

FIC

AutoCAD SHX Text

FIC

AutoCAD SHX Text

D-FIC-103

AutoCAD SHX Text

P-002

AutoCAD SHX Text

FC

AutoCAD SHX Text

FC

AutoCAD SHX Text

D-FC-103

AutoCAD SHX Text

P-003

AutoCAD SHX Text

CV

AutoCAD SHX Text

103

AutoCAD SHX Text

D-CV-103

AutoCAD SHX Text

TK-004

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

D-LI-104

AutoCAD SHX Text

D-TI-104

AutoCAD SHX Text

LSH

AutoCAD SHX Text

LSH

AutoCAD SHX Text

LSH

AutoCAD SHX Text

LSH

AutoCAD SHX Text

D-LSH-104

AutoCAD SHX Text

LSL

AutoCAD SHX Text

LSL

AutoCAD SHX Text

D-LSL-104

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

D-TE-104

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

D-LT-105

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

D-LT-106

AutoCAD SHX Text

D-TT-104

AutoCAD SHX Text

E-004

AutoCAD SHX Text

P-004

AutoCAD SHX Text

FC

AutoCAD SHX Text

FC

AutoCAD SHX Text

D-FC-104

AutoCAD SHX Text

Entrada de Leche

AutoCAD SHX Text

Entrada de Aire

AutoCAD SHX Text

A-001

AutoCAD SHX Text

TK-005

AutoCAD SHX Text

TK-006

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

E-TE-406

AutoCAD SHX Text

E-TT-406

AutoCAD SHX Text

E-TI-406

AutoCAD SHX Text

E-005

AutoCAD SHX Text

CV

AutoCAD SHX Text

104

AutoCAD SHX Text

E-CV-104

AutoCAD SHX Text

FC

AutoCAD SHX Text

FC

AutoCAD SHX Text

E-FC-104

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

E-LI-106

AutoCAD SHX Text

LS

AutoCAD SHX Text

LS

AutoCAD SHX Text

E-LS-106

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

E-LT-106

AutoCAD SHX Text

E-TI-105

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

E-TE-105

AutoCAD SHX Text

E-TT-105

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

E-TE-205

AutoCAD SHX Text

E-TT-205

AutoCAD SHX Text

E-TI-205

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

E-TE-305

AutoCAD SHX Text

E-TT-305

AutoCAD SHX Text

E-TI-305

AutoCAD SHX Text

TK-001

AutoCAD SHX Text

TK-002

AutoCAD SHX Text

P-001

AutoCAD SHX Text

.

AutoCAD SHX Text

HV-101

AutoCAD SHX Text

.

AutoCAD SHX Text

HV-103

AutoCAD SHX Text

.

AutoCAD SHX Text

HA-101

AutoCAD SHX Text

.

AutoCAD SHX Text

HA-102

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

LI

AutoCAD SHX Text

C-LI-102

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

LT

AutoCAD SHX Text

C-LT-102

AutoCAD SHX Text

CV

AutoCAD SHX Text

105

AutoCAD SHX Text

C-CV-105

AutoCAD SHX Text

FC

AutoCAD SHX Text

FC

AutoCAD SHX Text

C-FC-105

AutoCAD SHX Text

C-TI-100

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

TE

AutoCAD SHX Text

C-TE-100

AutoCAD SHX Text

C-TT-100

AutoCAD SHX Text

.

AutoCAD SHX Text

PV-106

AutoCAD SHX Text

.

AutoCAD SHX Text

HV-106

AutoCAD SHX Text

PI

AutoCAD SHX Text

PI

AutoCAD SHX Text

PI

AutoCAD SHX Text

PI

AutoCAD SHX Text

C-PI-106

AutoCAD SHX Text

Producto FInal

AutoCAD SHX Text

Drenaje

AutoCAD SHX Text

Salida vapor de Emergencia

AutoCAD SHX Text

ENFRIADOR

AutoCAD SHX Text

DOSIFICADOR

AutoCAD SHX Text

CALDERA

AutoCAD SHX Text

R-001

AutoCAD SHX Text

DIAGRAMA P&ID

AutoCAD SHX Text

Tesis de grado: Simulación de la planta pasteurizadora del laboratorio de electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica

AutoCAD SHX Text

001

AutoCAD SHX Text

DIAGRAMA P&ID

AutoCAD SHX Text

Tesis de grado: Simulación de la planta pasteurizadora

AutoCAD SHX Text

Miguel Herrera - Boris Peralta

AutoCAD SHX Text

PG001

AutoCAD SHX Text

Author

AutoCAD SHX Text

Area

AutoCAD SHX Text

Drawing Number

AutoCAD SHX Text

Stamp

AutoCAD SHX Text

Revision/Issue

AutoCAD SHX Text

Project Name and Address

AutoCAD SHX Text

Drawing Name

AutoCAD SHX Text

No.

AutoCAD SHX Text

Date

AutoCAD SHX Text

General Notes

AutoCAD SHX Text

C:\Users\chech\Documents\DiagramaP&IDGrado\PID DWG\AREA1\P&ID1.dwg

123

10.4. Anexo 4 – Programa dosificación

10.5. Anexo 5 – Programa caldera

10.6. Anexo 6 – Programa enfriador

10.7. Anexo 7 – Programa preliminares

Para ver los anexos 4, 5, 6, 7 y 8 ir al final del documento

dosificador - Sequential Function Chart Page 1planta_pasteurizadora2:MainTask:MainProgram 20/08/2021 05:28:29 a.m.Sheet Overview C:\RSLogix 5000\Projects\planta_pasteurizadora2.ACD

Anexo 10.3 RSLogix 5000

... Tran_018

Step_015.DN

N ... Action_032

//VÁLVULA DE SEGURIDAD CALDERA

if pres_caldera>=60 then v_seguridad:=1;

pres_caldera:=pres_caldera-0.01; else

v_seguridad:=0; end_if;

... -

Step_033

... Tran_014

v_leche_in

N ... Action_010

leche_in:=1; if phprove >=0 then

if phprove <=14 then phsi:=1;

else phno:=1;

phsi:=0; v_leche_in:=0;

end_if; else

phno:=1; phsi:=0;

v_leche_in:=0; end_if;

... -

Step_009

N ... Action_000

JSR(preliminares);

agua_in:=1;

... -

Step_001

N ... Action_023

cvcaldera_on:=0; temp_caldera:=0;

pres_caldera:=0; JSR(enfriador);

... -

Step_023

N ... Action_011

leche_in2:=1;

SPph:=phprove;

... -

Step_011

N ... Action_014

if setpointph>=6.5 then if setpointph <=6.8 then

SPphok:=1; SPph:=setpointph;

else SPphok:=0;

end_if; else

SPphok:=0; end_if;

... -

Step_014

N ... Action_031

agua_in:=0;

tank_reserva:=0; setpointcaldera:=0;

phprove:=0; setpointph:=0;

leche_in:=0; temptank1:=0;

temptank2:=0; sensorPH:=0;

setpointenfriador:=0;

compresor:=0; temp_refri:=0;

temp2:=0; temp3:=0;

temp4:=0; nivelfinal:=0;

nivelfinalok:=0; adctemp4:=0;

caudal:=0; intemptank1:=0;

nivel_reserva_ok:=0; phsi:=0;

phno:=0; preliminar_caldera:=0;

preliminar_enfriador:=0; res_refri:=0;

res2:=0; res3:=0;

SPcalderaok:=0; SPenfriadorok:=0;

temp4ok:=0; temptank2ok:=0;

inicio:=0;

... -

Step_032

N ... Action_017

niveltank2:=niveltank2+1;

niveltank1:=niveltank1-1;

if niveltank1<15 then nivelsuptank1:=0;

end_if; if niveltank1<7 then

nivelinftank1:=0; end_if;

if niveltank2>=7 then nivelinftank2:=1;

else nivelinftank2:=0;

end_if; if niveltank2>=15 then

nivelsuptank2:=1; bomba3:=0;

else nivelsuptank2:=0;

end_if;

... -

Step_017

... Tran_019

Step_016.DN

... Tran_020

bomba3

N ... Action_007

nivel_refri:=70; SPph:=7;

SPcaldera:=17;

... -

Step_000

... Tran_010

preliminar_caldera&preliminar_enfriador

N ... Action_013

sensorPH:=phprove; temptank1:=-13.061*intemptank1+117.63;

if temptank1 >=17 then if temptank1 <=20 then

temp1ok:=1; SPcaldera:=temptank1;

SPenfriador:=80; else

temp1ok:=0; end_if;

else temp1ok:=0;

end_if;

... -

Step_013

... Tran_017

SPphok

... Tran_026

temptank2ok & Step_022.DN

... Tran_016

temp1ok

... Tran_015

nivelsuptank1

... Tran_034

Step_031.DN

N ... Action_015

pwmacido:=pwmB;

pwmbase:=pwmA; if phprove<setpointph then

sensorPH:=salidaPH+0.2; if pwmbase>0 then

base:=1; else

base:=0; end_if;

else sensorPH:=salidaPH;

if pwmacido>0 then acido:=1;

else acido:=0;

end_if; end_if;

... -

Step_015

... Tran_001

not inicio

... Tran_013

Step_011.DN

... Tran_021

nivelsuptank2

N ... Action_012

niveltank1:=niveltank1+1;

if niveltank1>=7 then nivelinftank1:=1;

else nivelinftank1:=0;

end_if; if niveltank1>=15 then

nivelsuptank1:=1; v_leche_in:=0;

leche_in2:=0; else

nivelsuptank1:=0; end_if;

intemptank1:=9;

... -

Step_012

N ... Action_018

temp1ok:=0; JSR(caldera);

... -

Step_018

N ... Action_016

SPphok:=0;

bomba3:=1;

... -

Step_016

... Tran_012

v_leche_in&phsi

... Tran_000

inicio

N ... Action_008

//ALARMA SOBRE PRESIÓN CALDERA

temp_caldera:=0.0016*(pres_caldera*pres_caldera*pres_caldera) - 0.1941*(pres_caldera*pres_caldera) + 7.887*pres_caldera + 24.995; if pres_caldera=40 then

res_caldera:=0; end_if;

if pres_caldera>=50 then

res_caldera:=1; alarmapres:=1;

else alarmapres:=0;

end_if;

if v_alivio then pres_caldera:=0;

end_if;

... -

Step_010

A B C D E F G H I J K

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25


1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

10.3. Anexo 3 - Programa Dosificador

caldera - Sequential Function Chart Page 1planta_pasteurizadora2:MainTask:MainProgram 20/08/2021 05:31:50 a.m.Sheet Overview C:\RSLogix 5000\Projects\planta_pasteurizadora2.ACD


... Tran_023

SPcalderaok

... Tran_025

Step_022.DN

... Tran_024

temptank2ok

N ... Action_019

temptank2:=temptank1;

Step_022.DN:=0;

Step_022.T:=0;

... -

Step_019

... Tran_022

Step_019.DN

N ... Action_020

cvcaldera_on:=1;

intemptank1:=7.1;

temptank1:=-13.061*intemptank1+117.63;

if setpointcaldera>=20 then

if setpointcaldera <=80 then

SPcalderaok:=1;

else

SPcalderaok:=0;

end_if;

else

SPcalderaok:=0;

end_if;

... -

Step_020

N ... Action_021

vapor_on:=1;

SPcaldera:=setpointcaldera;

cvcaldera_apertura:=aperturaCaldera;

temptank2:=salidaCaldera;

if temptank2>=79.96 then

if temptank2<=80.6 then

temptank2ok:=1;

else

temptank2ok:=0;

end_if;

else

temptank2ok:=0;

end_if;

if cvcaldera_apertura <=0 then

vapor_on:=0;

end_if;

... -

Step_021

N ... Action_022

vapor_on:=0;

cvcaldera_apertura:=0;

temptank2:=salidaCaldera;

tank_caldera:=0;

nivel_caldera_ok:=0;

... -

Step_022

A B C D E F

1

2

3

4

5

6

7

8

9A B C D E F

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10.4. Anexo 4 - Programa Caldera

enfriador - Sequential Function Chart Page 1planta_pasteurizadora2:MainTask:MainProgram 20/08/2021 05:32:15 a.m.Sheet Overview C:\RSLogix 5000\Projects\planta_pasteurizadora2.ACD


N ... Action_030

temp4:=salidaEnfriador;

bomba4:=0;

... -

Step_031

... Tran_031

nivelfinalok

N ... Action_024

bomba4:=1;

Step_031.DN:=0;

Step_031.T:=0;

... -

Step_024

...

Step_029

... Tran_032

nivelfinalok & temp4ok

... Tran_028

SPenfriadorok

... Tran_030

bomba4

N ... Action_029

if cvenfriador_apertura>9 & cvenfriador_apertura<=50 then

caudal:=3000;

flujo2:=1;

res2:=595;

else

flujo2:=0;

end_if;


caudal:=2000;

flujo3:=1;

res2:=590;

else

flujo3:=0;

end_if;


caudal:=1000;

flujo4:=1;

res2:=585;

else

flujo4:=0;

end_if;


caudal:=460;

flujo5:=1;

res2:=580;

else

flujo5:=0;

end_if;

... -

Step_030

N ... Action_026

if nivelfinal >=15 then

nivelfinalok:=1;

else

nivelfinalok:=0;

end_if;

... -

Step_026

N ... Action_025

if setpointenfriador>=4 then

if setpointenfriador <=70 then

SPenfriador:=setpointenfriador;

SPenfriadorok:=1;

else

SPenfriadorok:=0;

end_if;

else

SPenfriadorok:=0;

end_if;

... -

Step_025

N ... Action_027

nivelfinal:=nivelfinal+0.1;

niveltank2:=niveltank2-0.1;

... -

Step_028

... Tran_029

Step_026.DN

... Tran_027

bomba4

... Tran_033

Step_031.DN

N ... Action_028

cvenfriador_apertura:=aperturaEnfriador;

SPenfriador:=setpointenfriador;

temp2:=-23.96*LN(res2)+229.55;

temp3:=salidaEnfriador-0.25;

temp4:=salidaEnfriador;

cvenfriador_on:=1;

if cvenfriador_apertura<=0 then

caudal:=1000000;

cvenfriador_on:=0;

res2:=5000;

end_if;


caudal:=4000;

flujo1:=1;

res2:=600;

else

flujo1:=0;

end_if;

if temp4<=4 & nivelfinal>=14.6 then

nivelfinal:=15;

temp4ok:=1;

niveltank2:=0;

else

temp4ok:=0;

end_if;

if niveltank2<15 then

nivelsuptank2:=0;

end_if;

if niveltank2<7 then

nivelinftank2:=0;

end_if;

... -

Step_027


1

2

3

4

5

6

7

8

9A B C D E F G H I J K

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10.5. Anexo 5 - Programa Enfriador

preliminares - Sequential Function Chart Page 1planta_pasteurizadora2:MainTask:MainProgram 20/08/2021 05:33:13 a.m.Sheet Overview C:\RSLogix 5000\Projects\planta_pasteurizadora2.ACD


N ... Action_001

//PRELIMINAR CALDERA

agua_in2:=1;

... -

Step_003

... Tran_004

v_agua_in

... Tran_007

bomba_reserva

... Tran_005

nivel_reserva_ok

... Tran_009

preliminar_caldera&compresor

... Tran_003

Step_003.DN

N ... Action_005

res_caldera:=1;

temp_caldera:=0.0016*(pres_caldera**3)-0.1941*(pres_caldera**2)+7.887*pres_caldera+24.995;

if pres_caldera=40 then

res_caldera:=0;

preliminar_caldera:=1;

end_if;

... -

Step_007

N ... Action_009

preliminar_caldera:=0;

preliminar_enfriador:=0;

res_refri:=6500;

... -

Step_002

... Tran_002

v_agua_in

... Tran_006

Step_005.DN

... Tran_008

nivel_caldera_ok

N ... Action_003

bomba_reserva:=1; ... -

Step_005

N ... Action_002

tank_reserva:=tank_reserva+1;

if tank_reserva=40 then

nivel_reserva_ok:=1;

v_agua_in:=0;

agua_in2:=0;

end_if;

... -

Step_004

... Tran_011

preliminar_caldera&preliminar_enfriador

N ... Action_004

tank_caldera:=tank_caldera+1;

tank_reserva:=tank_reserva-1;

if tank_caldera=8 then

nivel_caldera_ok:=1;

bomba_reserva:=0;

end_if;

... -

Step_006

N ... Action_006

//PRELIMINAR ENFRIADOR

temp_refri:=-23.96*LN(res_refri)+229.55;

temp2:=-23.96*LN(res2)+229.55;

temp3:=-23.96*LN(res3)+229.55;

temp4:=0.0922*adctemp4-21.818;

if temp_refri<=-14.99 then

preliminar_enfriador:=1;

else

res2:=res_refri-1300;

res3:=res_refri-1350;

adctemp4:=508;

end_if;

... -

Step_008


1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13


1

2

3

4

5

6

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8

9

10

11

12

13

10.6. Anexo 6 - Programa Preliminares

SIMULACIÓN DE LA PLANTA PASTEURIZADORA DEL …

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