Diseño e implementación de un sistema automático de ...

Diseño e implementación de un sistema automático de temporización y variación de

velocidad para el proceso de empastado de concentrados de tintas en base solvente

para la empresa SunChemical Yumbo.

Edgar Andrés Chávez Valencia, [email protected]

Christian Bastidas Nieto, [email protected]

Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico

Asesor: Edgar Antonio Giraldo Orozco, Magíster (MSc) en Ingeniería Electrónica.

Universidad de San Buenaventura Colombia

Facultad de Ingeniería

Ingeniería Electrónica

Santiago de Cali, Colombia

2019

Cita [1]

Referencia

Estilo:

IEEE (2014)

[1] E. A. Chávez Valencia, y C. Bastidas Nieto, “Diseño de un sistema

automático de temporización y variación de velocidad para el proceso de

empastado de concentrados de tinta en base solvente para la empresa

Sun Chemical Yumbo”, Trabajo de grado Ingeniería Electrónica,

Universidad de San Buenaventura Cali, Facultad de Ingeniería, 2019.

Bibliotecas Universidad de San Buenaventura

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https://co.creativecommons.org/?page_id=13

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Dedicatoria

A nuestros docentes, Ing. Magíster (MSc) Edgar Antonio Giraldo Orozco, por ser

nuestra mano derecha en la elaboración de este proyecto de grado, por su tiempo y por

impulsar el desarrollo de nuestra formación profesional; al Ing. Armando Duque por su

apoyo y asesoramiento técnico; a los Ingenieros José Fernando Valencia y José Daniel

Bolaños por sus correcciones y consejos brindados que retroalimentaron positivamente

el desarrollo integral de nuestro proyecto de grado.

A nuestros familiares, por su apoyo incondicional, sus oraciones, consejos, los valores

que nos inculcaron desde siempre y la motivación constante que nos llevó a culminar

con éxito nuestro proyecto de grado.

Agradecimientos

A la compañía SunChemical, por creer en nuestro trabajo y apoyar nuestro proyecto de

grado desde un principio, por brindarnos el conocimiento y la experiencia industrial que

nos ayudó a entender el mundo laboral bajo el contexto de nuestro proyecto de grado;

Al Ing. Eduar García por su colaboración en la identificación de la necesidad

empresarial hoy satisfecha; A la Universidad de San Buenaventura por brindarnos el

espacio y las herramientas necesarias para lograr el éxito de nuestro proyecto de

grado.

TABLA DE CONTENIDOS

RESUMEN .................................................................................................................................... 14

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 16

1.1. Justificación ................................................................................................................... 18

1.2. Objetivos......................................................................................................................... 20

1.2.1. Objetivo general ..................................................................................................... 20

1.2.2. Objetivos específicos ............................................................................................ 20

1.3. Alcance y Limitaciones................................................................................................. 20

1.3.1. Alcances .................................................................................................................. 20

1.3.2. Limitaciones ............................................................................................................ 21

1.4. Problema de Investigación .......................................................................................... 21

2. MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 22

2.1. Automatización Industrial............................................................................................. 24

2.2. Controlador Lógico Programable PLC ...................................................................... 26

2.2.1. Estructura de un PLC ............................................................................................ 27

2.2.2. Modo de operación de un PLC ............................................................................ 28

2.2.3. Programación del PLC .......................................................................................... 28

2.3. Interfaz Hombre – Máquina [11] ................................................................................. 32

2.4. Variación de Velocidad [12] ........................................................................................ 33

2.5. Temporizadores [14]..................................................................................................... 35

2.5.1. Temporizadores de Conexión ............................................................................. 35

2.5.2. Temporizadores de Desconexión ....................................................................... 35

2.5.3. Temporizadores Industriales ............................................................................... 35

2.5.4. Temporizadores Térmicos ................................................................................... 35

2.5.5. Temporizadores Neumáticos ............................................................................... 35

2.5.6. Temporizadores Electrónicos .............................................................................. 35

2.5.7. Temporizadores Magnéticos ............................................................................... 35

2.6. Marco Conceptual ......................................................................................................... 36

2.6.1. Producción de Concentrados de tintas .............................................................. 36

2.6.2. Agitadores Cowles................................................................................................. 37

2.6.3. Estado Actual ......................................................................................................... 40

2.7. Metodología ................................................................................................................... 44

2.7.1. Técnicas de recolección de datos....................................................................... 45

2.7.2. Fase de supervisión .............................................................................................. 45

2.7.3. Fase de control, actuadores y sensores ............................................................ 46

2.7.4. Fase de pruebas finales ....................................................................................... 46

3. DISEÑO GENERAL Y SELECCIÒN DE TECNOLOGÌAS ............................................ 46

3.1. Criterios para el diseño de la solución general ........................................................ 48

3.1.1. Motor y caracterización......................................................................................... 48

3.1.2. Variador de Velocidad y parametrización .......................................................... 48

3.1.3. PLC y Lógica de Promoción .................................................................................... 51

3.1.4. Diseño de la interfaz Hombre-Máquina ................................................................... 61

3.2. Selección de Tecnologías ................................................................................................ 66

3.2.1. Motor Siemens Alta Eficiencia IE2 ......................................................................... 66

3.2.2. Variador de Velocidad Sinamics G120C ................................................................. 67

3.2.3. PLC Simatic S7-1200 ............................................................................................... 69

3.2.4. Interfaz Hombre Máquina KTP-600 ........................................................................ 71

4. IMPLEMENTACIÓN DE LA SOLUCIÓN ELECTRÓNICA .............................................. 74

4.1. Implementación de Hardware .......................................................................................... 77

4.2. Implementación de Software ........................................................................................... 78

4.2.1. Programación del PLC Simatic S7-1200 ................................................................. 78

4.2.2. Parametrización del Variador de Velocidad Sinamics G120C ................................ 99

4.2.3. Implementación de la Interfaz Hombre – Máquina ............................................... 102

5. PRUEBAS Y RESULTADOS .............................................................................................. 118

5.1. Pruebas de Hardware ..................................................................................................... 118

5.1.1. Motor Cassi Power Transmission .......................................................................... 119

5.1.2. Variador Danfoss VLT FC51 ................................................................................. 122

5.1.3. PLC Simatic S7-300 ............................................................................................ 124

5.1.4. Conexión Pantalla - PLC .................................................................................... 127

5.2. Pruebas de Software .................................................................................................. 128

5.2.1. Programación Simatic S7-300 ........................................................................... 128

5.2.2. Parametrización del Variador Danfoss VLT FC51 ......................................... 134

5.2.3. Pantalla TP 177b 6” Color Pn/Dp ...................................................................... 137

5.3. Resultados en el Módulo del PLC ................................................................................. 155

5.4. Resultados finales .......................................................................................................... 162

6. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 170

7. RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 172

8. REFERENCIAS .................................................................................................................... 173

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Tabla de Variables del PLC con sus respectivas direcciones ......................... 52

Tabla 2. Matriz de Velocidades. Valores en RPM ........................................................ 56

Tabla 3. Ejemplo de selección de velocidades en la matriz ......................................... 57

Tabla 4. Tabla de Selección del Variador de Velocidad G120C ................................... 68

Tabla 5. Selección del PLC S7-1200 ............................................................................ 70

Tabla 6. Selección de la HMI KTP600 .......................................................................... 72

Tabla 7. Combinación Binaria de las Salidas Digitales de las Velocidades. ................. 74

Tabla 8. Relación de las Velocidades presentes en cada Estado ................................ 75

Tabla 9. Matriz de Combinación Binaria de las salidas digitales de la velocidad y la acción

asociada a los estados .................................................................................................. 76

Tabla 10. Características del Variador de Velocidad .................................................. 100

Tabla 11. Características del Motor con el que se va a trabajar ................................. 101

Tabla 12. Umbrales mínimo y máximo de Velocidades en Hz.................................... 101

Tabla 13. Rampas de Cambio de Velocidad .............................................................. 102

Tabla 14. Códigos de Ajustes Generales en el Variador Danfoss VLT FC51 ............. 134

Tabla 15. Códigos de Datos de la Placa del Motor. .................................................... 135

Tabla 16. Límites de Referencia General para seleccionar las velocidades .............. 135

Tabla 17. Referencias para el Variador ...................................................................... 136

Tabla 18. Rampas de Aceleración y Desaceleración ................................................. 136

Tabla 19. Porcentajes de Velocidades respecto a las referencias internas. ............... 137

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama del Proceso de Fabricación de Concentrados ................................................. 22

Figura 2. Esquema general de la solución electrónica a diseñar. ................................................... 23

Figura 3. Esquema General de un Sistema Automatizado [3] ............................................. 25

Figura 4. Controladores Lógicos Programables de la Marca Siemens. [4] ........................ 26

Figura 5. Estructura de un PLC. [6] .......................................................................................... 27

Figura 6. Esquema de Flujo Básico de una Instrucción que realiza un PLC. [7] .............. 28

Figura 7. Circuito para el Accionamiento de un Motor. [9] .................................................... 29

Figura 8. Accionamiento de un motor mediante Diagrama Escalera. [9] ........................... 29

Figura 9. Ejemplo de 3 Bloques Funcionales Programados para PLC. [8] ........................ 30

Figura 10. Semántica y Operadores en Lista de Instrucciones. [10] ................................. 31

Figura 11. Interfaces Hombre Máquina de la Marca Siemens. [11] .................................... 33

Figura 12. Variador de Velocidad VLT 5000 del fabricante Danfoss. [13] ......................... 34

Figura 13. Temporizador Industrial Programable [15] ........................................................... 36

Figura 14. Agitador Cowles Dispermix Oliver & Battle. [19] ................................................. 37

Figura 15. Campos de velocidades en el depósito de agitación axial. [20] ....................... 38

Figura 16. Campos de velocidades en el depósito de agitación radial. [20] ...................... 39

Figura 17. Marmita con motor agitador utilizados en el proyecto. [26] ............................... 42

Figura 18. Módulo de control de velocidad de un motor trifásico. [27] ............................... 43

Figura 19. PLC que envía la señal análoga al variador. [27] ............................................... 43

Figura 20. (Fuente de alimentación de 0 a 10 V DC). [27] ................................................... 43

Figura 21. Diagrama descriptivo del diseño metodológico del proyecto. [28] ................... 44

Figura 22. Esquema General de la Solución Electrónica - Circuito .................................... 47

Figura 23. Diagrama de conexiones de un Variador de Velocidad. Imagen extraída del

manual del Variador Sinamics G120C ..................................................................................... 50

Figura 24. Grafcet General del Sistema ......................................................................................... 53

Figura 25. Etapa 1, Fila 1 del diseño de funcionamiento del Sistema ........................................... 53

Figura 26. Etapa 2, Fila 2 del diseño de Funcionamiento del Sistema .......................................... 54


Figura 28. Etapa 4 Fila 4 del diseño de Funcionamiento del Sistema ........................................... 54


Figura 30. Encendido de las Balizas de Acuerdo a los Estados Correspondientes ........................ 59

Figura 31. Programa para enclavamiento de las señales Start e Iniciando de acuerdo al accionar de

los pulsadores Inicio, Stop y Pause ................................................................................................ 60

Figura 32. GRAFCET del sistema usando Funciones .................................................................... 61

Figura 33. Ventana de home o pantalla de principal. ..................................................................... 62

Figura 34. Ventana de configuración (Selección de agitador). ...................................................... 63

Figura 35. Ventana de configuración del agitador 1. ..................................................................... 64

Figura 36. Ventana de configuración del agitador 2. ..................................................................... 64

Figura 37. Ventana de configuración agitador 4. ........................................................................... 65

Figura 38. Ventana de Información. ............................................................................................... 66

Figura 39. Placa de uno de los motores de la empresa Sun Chemical de la marca Siemens ......... 67

Figura 40. Sinamics G120C en sus tres versiones más destacadas. ............................................... 69

Figura 41. PLC Simatic S7-1200 de la Marca Siemens. ................................................................ 71

Figura 42. Forma Física de la Simatic HMI KTP600. ................................................................... 73

Figura 43. Diseño del circuito de conexión para el S7-1200, el variador G120C y la pantalla

KTP600 usando el software CADE SIMU. ................................................................................... 77

Figura 44. Algoritmo de transferencia de Grafcet a Ladder. ......................................................... 80

Figura 45. Ruta para agregar el dispositivo S7-1200 en el TIA Portal .......................................... 81

Figura 46. Ventana del TIA Portal segmentada en 3 ..................................................................... 83

Figura 47. Configuración del dispositivo S7-1200 en el TIA Portal ............................................. 83

Figura 48. Ruta para encontrar la Tabla de Variables del S7-1200 en el TIA Portal .................... 85

Figura 49. Tabla de Variables del S7-1200 .................................................................................... 86

Figura 50. Manera de crear FBs en el TIA Portal .......................................................................... 87

Figura 51. FB Creados y DB Asociados a cada FB ....................................................................... 88

Figura 52. Tabla de Variables dentro de un FB para un sólo Agitador. ......................................... 89

Figura 53. Resultado Parcial de Programación de los Estados en KOP ........................................ 90

Figura 54. Comparación Real de las velocidades para activar un XmVn ...................................... 91

Figura 55. Ruta para encontrar los Temporizadores en el Árbol de Instrucciones ........................ 93

Figura 56. Temporizador TON en la Ventana de Escritura. .......................................................... 93

Figura 57. KOP de uno de los Estados Auxiliares para una función. ............................................ 95

Figura 58. Acciones Asociadas para la primera etapa del programa ............................................. 96

Figura 59. Suma de todos los tiempos para visualización. ............................................................. 96

Figura 60. Algoritmo de conversión de Time a Segundos, Minutos y Horas implementado en TIA

Portal .............................................................................................................................................. 97

Figura 61. Resultado Final de programación de los Bloques organizados en el árbol de Proyecto

........................................................................................................................................................ 98

Figura 62. Bloques Funcionales creados y llamados el OB1 ......................................................... 99

Figura 63. Creación de proyecto en TIA PORTAL. .................................................................... 103

Figura 64. Selección de la pantalla a programar. ......................................................................... 104

Figura 65. Plantilla de la interfaz Hombre-Máquina. ................................................................... 105

Figura 66. Agregar ventanas a la Interfaz .................................................................................... 106

Figura 67. Configuración del panel de navegación. ..................................................................... 107

Figura 68. Configuración de botones para selección de agitador. ............................................... 108

Figura 69. Campos de entrada/salida para ingreso de velocidades. ............................................. 109

Figura 70. Conexión KTP600 (HMI) y S7 1200 (PLC). .............................................................. 110

Figura 71. Creación de listado de variables con conexión al PLC. .............................................. 111

Figura 72. Vinculación entre los campos de entrada/salida con las variables del PLC. .............. 112

Figura 73. Vinculación del botón de PLAY con el bit correspondiente en el PLC. .................... 113

Figura 74. Vinculación de la baliza verde del agitador 1 con su bit correspondiente en el PLC. 114

Figura 75. Vinculación de la etapa actual del agitador 1 con su variable en el PLC. .................. 115

Figura 76. Vinculación de las horas transcurridas del agitador 1 en funcionamiento con su variable

en el PLC ...................................................................................................................................... 115

Figura 77. Vinculación de los minutos transcurridos del agitador 1 en funcionamiento con su

variable en el PLC. ....................................................................................................................... 116

Figura 78. Vinculación de los segundos transcurridos del agitador 1 en funcionamiento con su

variable en el PLC ........................................................................................................................ 116

Figura 79. Vinculación de la velocidad actual del agitador 1 en RPM con su variable en el PLC.

...................................................................................................................................................... 117

Figura 80. Diseño del circuito de conexión para el S7-300, el variador Danfoss VLT y la pantalla

TP177B usando el software CADE SIMU. .................................................................................. 119

Figura 81. Motor de la banda del laboratorio de Naranjos ........................................................... 120

Figura 82. Placa del motor de la banda. ....................................................................................... 121

Figura 83. Variador Danfoss VLT FC 51 utilizado para las pruebas del proyecto. ..................... 122

Figura 84. Caja de Control para el Variador de Velocidad Danfoss VLT ................................... 123

Figura 85. Banda Transportadora de la Planta de Llenado del Laboratorio del Edificio de Naranjos.

...................................................................................................................................................... 124

Figura 86. Demo del PLC S7-300 montado sobre un RAC ......................................................... 124

Figura 87. PLC Montado sobre un módulo de pruebas ................................................................ 126

Figura 88. Todos los elementos conectados al Switch ................................................................. 127

Figura 89. GRAFCET modificado para trabajar con el S7-300 ................................................... 129

Figura 90. GRAFCET del sistema involucrando FB ................................................................... 130

Figura 91. Módulos del PLC S7-300 a utilizar en las pruebas del proyecto ................................ 131

Figura 92. El árbol de instrucciones que muestra la ausencia de los temporizadores TONR en el

S7-300 .......................................................................................................................................... 132

Figura 93. Bloques Agregados en el Árbol de Proyecto, cada FB con su respectivo DB ........... 133

Figura 94. Selección de la pantalla a programar en WinCC Flexible. ......................................... 138

Figura 95. Plantilla de la Interfaz hombre-máquina en WinCC. .................................................. 139

Figura 96. Configuración del panel de navegación. ..................................................................... 140

Figura 97. Conexión TP177B (HMI) y S7 300 (PLC). ................................................................ 141

Figura 98. Creación del listado de variables con conexión al PLC S7 300. ................................ 142

Figura 99. Campos de entrada/salida para ingreso de velocidades en el WinCC. ....................... 143

Figura 100. Configuración del botón de Play al pulsar para el agitador 1 en WinCC. ................ 144

Figura 101. Configuración del botón de Play al soltar para el agitador 1 en WinCC. ................. 144

Figura 102. Configuración del indicador de ON para el agitador 1 en WinCC. .......................... 145

Figura 103. Vinculación de la etapa actual del agitador 1 con su variable en el S7 300 por medio

de WinCC. .................................................................................................................................... 146

Figura 104. Vinculación de las horas transcurridas del agitador 1 en funcionamiento con su variable

en el S7 300 por medio de WinCC. .............................................................................................. 147


variable en el S7 300 por medio de WinCC. ................................................................................ 148


variable en el S7 300 por medio de WinCC. ................................................................................ 149

Figura 107. Vinculación de la velocidad actual del agitador 1 en RPM con su variable en el S7 300

por medio de WinCC. ................................................................................................................... 150

Figura 108. Transferencia del programa (HMI) desde el WinCC hacia la pantalla TP177B. ..... 151

Figura 109. Pantalla Principal de la Interfaz Hombre-Máquina implementada en la TP177B. ... 152

Figura 110. Ventana de Configuración implementada en la TP177B.......................................... 152

Figura 111. Ventana de Configuración Agitador 1 implementada en la TP177B. ...................... 153




Figura 115. Ventana de Información General implementada en la TP177B. .............................. 155

Figura 116. Configuración de Tiempo y velocidad en la TP177B ............................................... 156

Figura 117. Salidas Digitales del PLC S7-300 mostrando el funcionamiento del sistema en LEDS.

...................................................................................................................................................... 157

Figura 118. Resultado de las salidas digitales en el PLC S7-300 en la Etapa 1 .......................... 158





Figura 123. Esquema de Conexión del Variador Danfoss VLT FC51 ......................................... 163

Figura 124. Todos los Equipos conectados entre sí, y con el Variador incluido. ........................ 164

Figura 125. Parámetro de la Potencia del Motor 1-20 ................................................................. 165

Figura 126. Parámetro del Voltaje del Motor 1-22 ...................................................................... 165

Figura 127. Parámetro de la Frecuencia del Motor 1-23 .............................................................. 166

Figura 128. Parámetro de la Corriente del Motor 1-24 ................................................................ 166

Figura 129. Parámetro de la Velocidad mínima del Motor 3-02 ................................................. 167

Figura 130. Parámetro de la Velocidad máxima del Motor 3-03 ................................................. 167

Figura 131. Parámetro donde aparecen las 8 posibles combinaciones de la velocidad en Porcentaje

para una referencia interna ........................................................................................................... 168

Figura 132. Parámetro 3-10 en la posición 1 mostrando el porcentaje asignado anteriormente .. 168

Figura 133. Rampa de Aceleración .............................................................................................. 169

Figura 134. Rampa de desaceleración .......................................................................................... 169

Figura 135. Una de las recetas configuradas desde la HMI ......................................................... 170

SISTEMA AUTOMÁTICO DE TEMPORIZACIÓN Y VARIACIÓN DE VELOCIDAD PARA AGITADORES....

14

RESUMEN

Este proyecto describe la implementación desarrollada a manera de prototipo funcional

de un sistema de temporización y variación de velocidad para 4 agitadores Cowles

pertenecientes al proceso de empastado de tintas en base solvente de la empresa Sun

Chemical Yumbo. La implementación de dicho prototipo funcional se desarrolla utilizando

4 elementos fundamentales, la primera es la Interfaz de Hombre-Máquina o HMI TP177B

que permite la supervisión y control del sistema, la segunda es el Controlador Lógico

Programable o PLC S7-300 el cual se ubica en el nivel de Control, la tercera es el Variador

de Velocidad Danfoss VLT FC51 que cumple la función de variar la velocidad del motor

conectado a él y por último tenemos el motor de ¼ Hp de Cassi Power Transmissions

con alimentación a 440V y velocidad nominal de 160 RPM.

Palabras clave: Variador de Velocidad, PLC, HMI, Automatización, Danfoss, Siemens,

Cassi PT, Motor de Inducción,

ABSTRACT

This project describes the implementation developed as a functional prototype of a timing

and speed variation system for 4 Cowles agitators belonging to the solvent based inks

process of the company Sun Chemical Yumbo. The implementation of this functional

prototype is developed using 3 fundamental elements, the first is the Human-Machine

Interface or HMI TP177B that allows the supervision and control of the system, the second

is the Programmable Logic Controller or PLC S7-300 which is located in the Control level,

the third one is the Danfoss VLT FC51 Speed Variable that fulfills the function of varying

the speed of the engine connected to it and finally we have the ¼ Hp motor from Cassi

Power Transmission with power at 440V and 160 RPM as Nominal Speed.

Keywords: Speed Variator, PLC, HMI, Automation, Danfoss, Siemens, Cassi PT,

Inductive Engine.


15

INTRODUCCIÓN

La empresa SunChemical es el mayor productor de tintas a nivel mundial, tiene

presencia en 63 países, actualmente en Colombia se encuentra en 3 ciudades

principales: Bogotá, Medellín y Yumbo. La planta Yumbo cuenta con 4 líneas de

producción de tintas según sus materiales de fabricación y su área de aplicación:

➢ Planta SheetFed (Produce tintas en base aceite para revistas, libros, litografía y

materiales impresos por el sistema offset en general)

➢ Planta Corrugados (Produce tintas en base agua para cartón, sacos de cemento, etc.)

➢ Planta Industriales (Produce tintas para serigrafía, metal-gráficos, barcos, aviones, tintas

para banda angosta, gelcoots para colorear poliésteres).

➢ Planta Solventes (Produce tintas en base solvente para impresión por sistema Flexo y

rotograbado)

La Planta de Solventes se divide en 4 zonas principales:

A. Zona de Lotes pequeños y dosificación

B. Zona de Barnices

C. Zona de Blancos

D. Zona de Concentrados

La zona de concentrados es donde se fabrica la base o concentrado de la tinta de

colores distintos al blanco ya que el blanco tiene su propia zona de fabricación, esta zona

está compuesta por 2 pisos. En el primer piso se sitúan los molinos de perlas y en el

segundo piso se sitúan los tanques y agitadores Cowles.

Estos equipos están organizados en 4 baterías. Cada batería es una línea de

producción de concentrados que está compuesta por 1 agitador Cowles y 2 molinos.

Cada batería fabrica el concentrado de un determinado color. La batería #1 fabrica el

color amarillo, la batería #2 el azul y el verde, la batería #3 el negro y el violeta y la última

batería el rojo y el naranja.


16

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente en esta zona de concentrados se cuenta con el control de pesado

por celda de carga. Los operarios deben adicionar el pigmento que normalmente se

almacena en sacos y realizar esta adición de forma lenta y constante (1min y medio por

saco). Se adicionan 20 sacos en promedio por cada lote de concentrado, lo que significa

que el proceso de adición de pigmento de modo manual debe durar alrededor de 30min

en total.

El proceso de empastado hace referencia a la primera mezcla entre pigmento,

solvente, barnices, aditivos y demás componentes que se requieran para la fabricación

de cierto lote de concentrado. Los operarios cuentan con unas fórmulas de laboratorio o

también llamadas “órdenes de trabajo”, en ellas se especifica el proceso de fabricación

de cada lote, incluyendo tiempos y velocidades de agitación. Dichas velocidades varían

en el tiempo de acuerdo a la fórmula y los tiempos de agitación varían dependiendo del

tipo de concentrado a fabricar.

En primera instancia los operarios encienden el agitador a la velocidad establecida

por la fórmula, paso seguido comienzan el proceso de adición de pigmento y demás

componentes al tanque, una vez terminada esta adición, proceden a variar la velocidad

del agitador en los valores y tiempos indicados en la fórmula. Estos tiempos son

supervisados por el operario que dispone de un reloj en el cual visualiza la hora actual y

empieza a contar el tiempo transcurrido hasta completar el tiempo necesario, momento

en el cual, procede a abrir la válvula del tanque ubicada en el primer piso para dar paso

a los componentes recién empastados hacia el molino LMZ, quien se encarga de

comenzar el proceso de dispersión que actualmente se realiza de manera automática.

Terminado el proceso de dispersión se procede a envasar el concentrado de tinta en sus

respectivas presentaciones dependiendo de la referencia y lote fabricado.

Es claro que el proceso de empastado se realiza de forma manual; los tiempos de

agitación quedan a decisión de los operarios al igual que las variaciones de velocidad en

cada uno de los cuatro agitadores. Normalmente los operarios cometen errores en estos

tiempos de agitación y en las respectivas variaciones de RPM en los motores de los

agitadores, debido a que se encargan de varias tareas a la vez.


17

Principalmente se debe minimizar el riesgo de errores por parte de los operarios

al reproducir cada orden de trabajo en el proceso, dado que la mayoría de errores están

basados en los tiempos y velocidades de agitación; dos variables a automatizar en este

proyecto.

Por los largos periodos de tiempo que duran los concentrados en proceso, se

deben realizar las tareas de forma simultánea, lo que genera dos grandes problemas. El

primer problema radica en el olvido por parte de los operarios de apagar los agitadores

en los tiempos establecidos, generando así un exceso de agitación en el proceso de

empastado, esto significa a su vez la aparición de tres grandes pérdidas, en primer lugar,

se generan pérdidas de producto, ya que los concentrados de tintas en base solvente

tienden a la evaporación al estar sometidos a excesivos períodos de agitación, en

segundo lugar, se generan pérdidas de tiempo ya que el agitador se queda encendido

más tiempo de lo establecido, retrasando así el proceso de empaste y en tercer lugar, se

genera también un excesivo consumo de energía por parte de los agitadores.

El segundo problema radica en que los operarios pasan por alto realizar las

respectivas variaciones de velocidad en los tiempos establecidos, en algunos casos se

disparan los interruptores automáticos en los motores de los agitadores debido a

sobrecargas en ellos, en especial cuando se adicionan pigmentos altamente viscosos

que forman una capa que se resiste al proceso de empastado. Debido a esto el motor

puede permanecer apagado una gran cantidad de tiempo y el operario puede pasarlo

desapercibido o aún, en caso de que el operario se percate de la falla, debe esperar a

que el personal de mantenimiento industrial acuda en su ayuda, puesto que no se permite

el ingreso de los operarios al cuarto eléctrico de control, que es donde se encuentran los

interruptores automáticos de los agitadores. Esto significa una gran pérdida de tiempo

para el proceso de empastado.

En cuanto a la calidad del producto, tanto la evaporación del solvente por exceso

de agitación, como el disparo inesperado de los interruptores automáticos en los

agitadores, la afectan directamente y generan reproceso, es decir; se deben realizar

algunos ajustes pertinentes adicionales al proceso estándar para normalizar así la calidad

de empaste, esto significa tiempo y material adicional al establecido para dicho proceso.


18

Todos los errores nombrados anteriormente representan gastos adicionales para

la empresa y disminuyen su nivel de productividad.

Lo anterior nos lleva a plantearnos la siguiente pregunta:

¿Cómo controlar electrónicamente las variables de tiempo y velocidad en los

agitadores involucrados en el proceso de empastado de concentrados de tintas en base

solvente para la empresa SunChemical Yumbo?

1.1. Justificación

El proceso de empastado de concentrados de tintas en base solvente debe ser

automatizado debido a que actualmente se presentan varios inconvenientes en el

proceso dado que el control es manual. Los tiempos y variaciones de velocidad en los

agitadores quedan a decisión de los operarios, generando dos grandes problemas ya

nombrados anteriormente: La sobre agitación del producto y la sobre corriente en los

agitadores.

Por medio de este proyecto se pretende solucionar la sobre agitación del producto

implementando un temporizador donde los parámetros de entrada sean introducidos por

el operario a través de una interfaz de usuario. El temporizador determinará los tiempos

establecidos para la agitación del producto y eliminará problemas como el excesivo

consumo de energía, retrasos en producción y una posible evaporación del producto por

sobre agitación.

Por otro lado, el proyecto brindará solución al problema de sobre corriente en los

motores de los agitadores que actualmente genera pérdidas de tiempo por disparo de

sus interruptores automáticos. Para ello se implementará un sistema de variación de

velocidad automática que logrará auto regular la corriente del motor de tal forma que no

se generen dichos disparos y de esta forma se asegure un proceso continuo y sin

pérdidas inesperadas de tiempo. También ahorrará tiempo al personal de mantenimiento

que ya no tendrá que desplazarse hasta el cuarto eléctrico de control a restaurar dichos

interruptores y podrá aprovechar ese tiempo para seguir atendiendo otras averías.


19

El área de ingeniería de procesos es la encargada de realizar el control de pérdidas

por variaciones en el producto. En el mes de marzo de 2017 se registró un 3,1% de

pérdida en kg debido a evaporación del solvente sometido a exceso de agitación, el

mínimo porcentaje de variación registrado fue de 0,6% y el máximo de 14,3%. Todos los

lotes fabricados en el mes presentaron porcentajes de pérdidas dentro de dicho rango.

Por medio de la automatización se puede estandarizar el proceso de empastado de tal

forma que la calidad sea un poco más estable y no tan dependiente del operario, evitando

dichas pérdidas, utilizando el material estrictamente necesario y ahorrando dinero a la

empresa.

Cabe anotar que con la automatización de tiempos y variaciones de velocidad en

los 4 agitadores se disminuye el nivel de estrés que presentan los operarios de esta área

por exceso de tareas simultáneas y de esta manera se mejora indudablemente el clima

laboral.

La zona de producción de concentrados de tintas en base solvente es una de las

zonas más importantes no solo por ser la base de casi todos los colores que se producen

en la planta solvente sino también porque las tintas en base solvente son la principal

fuente de ingresos para la empresa debido a la gran demanda que tienen en el mercado

latinoamericano. El proceso de empastado es parte fundamental de esta zona, por lo

tanto, es una razón para pensar que este proyecto de automatización mejorará

indudablemente la calidad del proceso y será una excelente oportunidad de inversión

para la empresa.

Este proyecto de grado nos permitirá conocer procesos industriales y trabajar con

ellos, de tal forma que se obtendrán conocimientos tanto teóricos como prácticos en el

área de automatización e instrumentación industrial, brindándonos experiencia laboral en

estas dos importantes áreas de la ingeniería electrónica. La relación universidad -

empresa es un punto a favor en este proyecto pues establece relaciones que generan

valor a la región donde la academia y la empresa se unen para dar soluciones que

requiere el sector productivo.


20

Por último, al realizar un proyecto de automatización como este se fortalecen

competencias en implementación de proyectos de este tipo lo cual podría facilitar la

generación de nuevos proyectos de la misma línea ya sean investigativos o

empresariales, permitiendo crear vínculos profesionales al punto de generar posibles

oportunidades laborales.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo general

Diseñar e implementar un sistema automático de temporización y variación de

velocidad para el proceso de empastado de concentrados de tintas en base solvente para

la empresa SunChemical Yumbo.

1.2.2. Objetivos específicos

✓ Diseñar e implementar un sistema de temporización para los motores de los 4

agitadores que hacen parte del proceso de empastado.

✓ Implementar un control para la variación de velocidad en los motores de los

agitadores.

✓ Diseñar una interfaz hombre-máquina que permita al operario ajustar los parámetros

según las especificaciones del producto.

✓ Identificar las tecnologías de instrumentación, control y supervisión que mejor se

ajusten al diseño y a los requerimientos del proceso.

✓ Realizar las pruebas del sistema usando los elementos de hardware y software que

permitan validar el producto final.

✓ Escribir un artículo con la información de la solución del proyecto final.


21

1.3. Alcance y Limitaciones

1.3.1. Alcances

- Se realizará un prototipo funcional de la solución propuesta en el presente proyecto.

- Se usará un motor de menor potencia que los de la empresa SunChemical, con un

variador dispuesto para esa potencia, un PLC adecuado y una HMI compatible con el

PLC. Esto, con el fin de dar uso a los materiales que la Universidad suministra. Tanto el

motor como el variador de velocidad serán tomados del laboratorio de operaciones

unitarias, en cuanto al PLC y la HMI serán tomados del laboratorio de automatización de

la Universidad.

1.3.2. Limitaciones

- La empresa SunChemical Yumbo, en específico el proceso de fabricación de

concentrados de tinta en base solvente no permite el acceso de los estudiantes para

hacer las respectivas pruebas debido a que el proceso de producción se vería afectado,

así como también es difícil el acceso de personal sin contar con Aseguradora de Riesgos

Laborales y más, teniendo en cuenta que es un entorno industrial peligroso.

- Se utilizarán los equipos disponibles en la universidad y no materiales dispuestos por la

empresa, debido a que no se quiere adquirir un compromiso legal ésta.

1.4. Problema de Investigación

¿Cómo controlar electrónicamente las variables de tiempo y velocidad en los

agitadores involucrados en el proceso de empastado de concentrados de tintas en base

solvente para la empresa SunChemical Yumbo?


22

2. MARCO TEÓRICO

En la Figura 1 se describe el proceso de fabricación de concentrados en base

solvente de la empresa SunChemical Yumbo, en donde se logra visualizar una de las

cuatro baterías que componen a la zona de concentrados, cabe aclarar que las cuatro

baterías de esta zona son exactamente iguales, cada una contiene un agitador, dos

molinos y 3 tanques, la única diferencia es el color que se fabrica en cada una, por

ejemplo la batería que se muestra en ésta figura corresponde a los colores azules y

verdes. [1]

Figura 1. Diagrama del Proceso de Fabricación de Concentrados

Los molinos LMZ, así como los MMX trabajan actualmente de manera automática.

El foco de acción de este trabajo es el proceso de empastado, más específicamente

donde se encuentra el agitador Cowles. Estos 4 agitadores que hacen parte del proceso

de empastado serán automatizados en tiempo y velocidad. [1]


23

Para cumplir con ese objetivo se ha diseñado un diagrama de bloques (ver Figura

2) donde se muestra un esquema general de la solución electrónica propuesta para este

proyecto, en éste se pueden observar componentes básicos de un sistema automatizado

como un PLC, variadores de velocidad (Drivers), monitores de voltaje y corriente, un

temporizador y una interfaz hombre-máquina (HMI). [1]

Figura 2. Esquema general de la solución electrónica a diseñar.

Como se logra observar en la Figura 2, el PLC es el centro del sistema de control,

éste recibe la información del proceso que le suministra la HMI, la cual se encontrará

ubicada e instalada directamente en el proceso para fácil acceso de los operarios, de

acuerdo a ésta información y a la programación del temporizador interno, el PLC le manda

las órdenes al variador de velocidad para que controle los 4 motores de los agitadores

Cowles, que corresponden en la imagen a M1, M2, M3 y M4. La señal de control del

variador hacia los cuatro motores es monitoreada tanto en voltaje como en corriente con

el fin de lograr un seguimiento en el consumo de Kw/h, además de supervisar la corriente

suministrada a los motores y de esta forma evitar los posibles disparos de los

interruptores automáticos por sobre corrientes.


24

De acuerdo con la información anterior se procede a describir cada uno de los

elementos que conforman este proyecto de automatización. Para comenzar con lo más

general se debe explicar el concepto básico de automatización industrial, paso seguido

se comenzarán a describir cada uno de los elementos involucrados en el control,

empezando con el PLC, seguido de la HMI y el variador de velocidad, se hablará también

de los monitores de corriente y voltaje, y por último se tocará el tema de temporización.

2.1. Automatización Industrial

Las Empresas actualmente en Colombia están en busca de un crecimiento en su

infraestructura tecnológica, sobre todo de maquinaria con el fin de optimizar sus procesos

de producción y lograr mejoras en rentabilidad económica. Los avances de la tecnología

pueden ofrecer, sin duda variedad de soluciones a esa demanda. [2]

La automatización industrial es la aplicación de diferentes tecnologías para

monitorear y controlar un proceso, máquina o dispositivo que por lo regular cumple

funciones o tareas repetitivas, haciendo que opere automáticamente y reduciendo al

mínimo la intervención humana. [2]

Los sistemas de control automático están conformados por tres partes principales:

• Mando de control

• Parte Operativa

• Supervisión

En la Figura 3 se muestra el esquema general de un sistema automatizado.


25

Figura 3. Esquema General de un Sistema Automatizado [3]

La parte de mando de control suele ser un PLC (Programmable Logic Controller

por sus siglas en inglés o Controlador Lógico Programable). En un sistema automatizado,

el PLC debe estar en el centro del sistema y tener la capacidad de comunicarse con todas

las partes que lo constituyen. La parte operativa es la parte que interactúa directamente

con la máquina como los actuadores y sensores. Entiéndase por actuador al

accionamiento o salidas del sistema como motores o bombillas y por sensores a los

elementos de captación como finales de carrera, fotodiodos, etc. La parte de supervisión

normalmente se realiza por medio de un computador ya sea de escritorio o portátil donde

se visualiza y controla el proceso, pero también se puede realizar desde una pantalla

táctil ubicada directamente en el proceso. [2]

La automatización industrial requiere que los elementos tecnológicos y todo aquel

componente que lo constituye sea de capacidades industriales. Es decir que, según la

necesidad, cuente por ejemplo con sistemas de comunicación industrial para manejar

grandes cantidades de equipos conectados al tiempo, cables prácticamente inmunes al

ruido, perturbaciones electromagnéticas y altas temperaturas, mando remoto, altas

velocidades de transferencia de datos, redundancia, además de equipos por ejemplo con

protecciones especiales contra polvo y agua, etc. [2]


26

2.2. Controlador Lógico Programable PLC

PLC es el acrónimo para designar a Controlador Lógico Programable. En pocas

palabras es un computador de capacidades industriales. Tiene una Unidad Central de

Procesamiento cuenta además con interfaces de comunicación y puertos de entrada y

salida análogas y digitales. La Figura 4 muestra algunos de los PLC disponibles ofrecidos

por el fabricante Siemens.

Figura 4. Controladores Lógicos Programables de la Marca Siemens. [4]

Un PLC posee conexiones a red de forma tal que se puede tener conectado

siempre un PLC con un Computador permitiendo realizar monitoreo, estadísticas y

reportes. El PLC es una herramienta muy utilizada en la industria para resolver

problemas de optimización de procesos, ahorrando costos de mantenimiento y logrando

un aumento en la confiabilidad de los equipos. [5]

Anterior a estos sistemas de automatización existieron los conocidos relevadores,

siendo estos utilizados por mucho tiempo para procesos específicos lo que hacía que su

función fuera única. Si se deseaba hacer un cambio se requería prácticamente de una

reingeniería incluso pensando hasta en cambiar todo el sistema de cableado y volver a

hacer toda la instalación. Con la llegada al mercado de los PLC que entre otras cosas se

presume que la primera empresa a nivel mundial que hizo sustitución de relevadores por

PLC fue General Motors Company, se obtuvieron y aún siguen vigentes muchas ventajas


27

de las cuales hablar de todas sería un tema bastante extenso, sin embargo, se consignan

a continuación algunas de ellas: [5]

• Menor tiempo empleado para su elaboración.

• Reducción del espacio final utilizado.

• Menores costos.

• Ingeniería más simple.

• Se pueden realizar modificaciones al sistema sin necesidad de cambiar el cableado.

• Mantenimiento económico por reducción de tiempos de parada.

2.2.1. Estructura de un PLC

En pocas palabras, la estructura de un PLC es similar a la de un Microcontrolador,

que cuenta con una memoria de Datos o la conocida RAM, una Memoria de Programa o

la conocida ROM, un Procesador y Puertos de Entrada y Salida que conectados

estratégicamente permiten el control de un proceso. En la Figura 5 se muestra el

diagrama básico de la estructura de un PLC. [6]

Figura 5. Estructura de un PLC. [6]


28

2.2.2. Modo de operación de un PLC

El programa que se ejecuta por un PLC trabaja en forma “Scan” (o lo que su

traducción literal dice: “Explorar, registrar, examinar”), ejecutando secuencialmente el

programa que contiene las órdenes siguiendo un proceso, en el mayor de los casos

estructurado. En la Figura 6 se muestra el proceso de ejecución del programa en un PLC:

Figura 6. Esquema de Flujo Básico de una Instrucción que realiza un PLC. [7]

2.2.3. Programación del PLC

Existen diversos lenguajes de programación para PLC debido a que cada

programador puede contar con una formación diferente en distintas disciplinas, algunos

prefieren programar de forma escrita y otros de forma visual, los lenguajes de

programación para los PLC se pueden clasificar en dos grupos principales: [8]

2.2.3.1. Lenguajes De Alto Nivel

Los lenguajes de alto nivel se caracterizan por ser gráficos, utilizan símbolos para

hacer referencia a instrucciones de control, en este tipo de lenguajes se debe tener en

cuenta que la programación será limitada a los símbolos existentes, los dos tipos de

lenguaje más utilizados de alto nivel se describen a continuación: [8]


29

2.2.3.1.1. Diagrama Escalera El diagrama de escalera es un lenguaje de programación de PLC que permite

utilizar símbolos de contactos normalmente abierto (N.A) y normalmente cerrados (N.C),

relés, contadores, registros de desplazamiento o temporizadores que representan

variables lógicas las cuales pueden tomar un valor verdadero o falso. [9]

En este lenguaje se simula la fuente de energía mediante los rieles laterales,

siendo el riel izquierdo el conductor positivo y el riel derecho su respectiva tierra, las

conexiones horizontales que unen los dos rieles representan a los circuitos de control. En

la Figura 7 se muestra el circuito para el accionamiento de un motor, el interruptor (SW)

es normalmente abierto, cuando éste se cierra permite el paso de corriente de un riel a

otro, es decir, del positivo a tierra, energizando el respectivo motor. [9]

Figura 7. Circuito para el Accionamiento de un Motor. [9]

En la Figura 8 se muestra la representación del circuito anterior en diagrama

escalera:

Figura 8. Accionamiento de un motor mediante Diagrama Escalera. [9]

La “X” representa el interruptor normalmente abierto (N.A) y la “Y” el motor que se

desea activar, cuando “X” se activa, cierra el circuito y por lo tanto el motor entra en

funcionamiento, por el contrario, cuando “X” se abre, el motor detiene su funcionamiento.

En general, las “X” representan entradas y las “Y” salidas en diagrama escalera. [9]


30

2.2.3.1.2. Diagrama de Bloques El diagrama de bloques es un lenguaje gráfico que permite construir

procedimientos complejos por medio de bloques funcionales predeterminados, es muy

utilizado por electrónicos que están acostumbrados a trabajar con compuertas lógicas y

circuitos integrados. Dentro de sus principales características se tiene que las salidas de

los bloques funcionales no se conectan entre sí y la evaluación de una red estará

terminada antes de la otra. La Figura 9 describe un ejemplo de un diagrama de bloques

programado en PLC. [8]

Figura 9. Ejemplo de 3 Bloques Funcionales Programados para PLC. [8]

En la Figura 9 se observa en la esquina superior izquierda el bloque funcional

correspondiente a la función “and”, su salida es representada y conectada al terminal

S0.0, en la esquina inferior izquierda observamos el bloque que corresponde a la función

mayor o igual a 1, que valida si sus dos entradas son mayores o iguales que 1, enviando

el resultado al terminal S0.1, por último observamos en la parte derecha dos bloques

funcionales en serie que corresponden a la función and con un nivel lógico 1 como uno

de sus parámetros de entrada, su respuesta es enviada al terminal S0.2.


31

2.2.3.2. Lenguajes de Bajo Nivel

Los lenguajes de bajo nivel son lenguajes de programación textual, se

programa utilizando cadenas de caracteres como instrucciones de control,

los dos tipos de lenguaje más utilizados de bajo nivel se describen a

continuación: [8]

2.2.3.2.1. Lista de Instrucciones Este es el tipo de lenguaje más antiguo que existe, en base a éste se creó el

lenguaje escalera y el de bloques, estos lenguajes finalmente son siempre traducidos a

lista de instrucciones. La programación por lista de instrucciones es más compacta y es

mucho más completa que los demás métodos debido a la libertad de programación sin

limitaciones de bloques funcionales ya predeterminados o relés, contadores y

temporizadores ya definidos. [8]

En la Figura 10 se muestran algunos de los operadores que son utilizados en la

programación por lista de instrucciones.

Figura 10. Semántica y Operadores en Lista de Instrucciones. [10]


32

2.2.3.2.2. Lenguaje Estructurado El lenguaje estructurado está compuesto por una serie de instrucciones que son

ejecutables, estas instrucciones incluyen sentencias condicionales “IF”, “THEN”, “ELSE”

y bucles secuenciales “WHILE” o “FOR”, este lenguaje no diferencia mayúsculas o

minúsculas, es capaz de soportar funciones matemáticas complejas al igual que ciclos

de iteración.

2.3. Interfaz Hombre – Máquina [11]

Es un puente de comunicación directa con el usuario por medio de un computador

o software, el cual es capaz de comunicarse con el microcontrolador para tomar

decisiones sobre el proceso. Normalmente la interfaz hombre máquina proporciona

información sobre el proceso y se presenta como un sistema interactivo e intuitivo para

el usuario.

Todo aquello que establece una interacción entre el sistema y el humano se

considera un interfaz. Un ejemplo de esto sería un interruptor, ya que permite tener

control sobre un actuador, que puede ser por ejemplo un bombillo. Es importante decir

que para que una Interfaz Hombre-Máquina (HMI) sea significativa debe adecuarse a las

capacidades del usuario, es decir, el interruptor para encender la luz de un cuarto no tiene

sentido que esté en el techo, o debajo de la cama, debido a que sería de difícil acceso

para el usuario.

Dentro de la programación de una interfaz hombre-máquina se debe tener en

cuenta la ergonomía de software, que hace referencia al diseño de aplicaciones que se

adapten a las distintas tareas y aptitudes del ser humano. En general, una interfaz

hombre-máquina no solo está diseñada para brindar información sobre el proceso, sino

también para tener el control de variables del proceso que se encuentran en zonas de

difícil acceso para el operario. En la automatización del proceso de empastado de

concentrados de tintas en base solvente para la empresa SunChemical Yumbo se planea

el uso de interfaz tipo pantalla táctil para ubicar directamente en el proceso.


33

Respecto a la evolución de las HMI, se tiende a trabajar sobre la posibilidad de no

tener entrenamiento para entender y poder operar la interfaz hombre-máquina, la HMI

debe ser capaz de explicarse por sí misma de forma intuitiva. En la Figura 11 se pueden

ver algunas de las HMI que ofrece la compañía Siemens.

Figura 11. Interfaces Hombre Máquina de la Marca Siemens. [11]

2.4. Variación de Velocidad [12]

Los motores eléctricos representan un papel fundamental no solo en la industria

sino también en nuestra vida misma, son los responsables de hacer funcionar la mayoría

de las máquinas en la industria y en muchas otras aplicaciones de la ingeniería. Todos

los motores consumen algo de corriente para generar una variación mecánica a cierta

velocidad.

El control de los motores suele realizarse por mandos mecánicos, pero no es

eficiente ya que se malgasta una gran cantidad de energía y nadie, mucho menos en la

industria, quiere gastar excesiva energía. Existe una manera de controlar motores que

además de ahorrar energía reduce los costos de mantenimiento de los equipos y a eso

se le llama Variador de velocidad, “Driver” o Convertidor de Frecuencia.

Un Variador de Velocidad se encuentra en el medio entre la alimentación de línea

y el motor. Siempre que se usa un variador de velocidad se reduce el consumo de

energía. La energía de la red atraviesa el variador y regula la energía que pasa a través

de un rectificador dejando las componentes de AC en DC para cargar los condensadores

internos y suaviza la onda de corriente entregando energía limpia. Posteriormente esa

corriente de DC pasa por un inversor de corriente que es el que entregará la alimentación

de AC al motor. El convertidor puede ajustar la frecuencia y el voltaje de acuerdo a los

requerimientos y a eso se le llama Control Escalar o Control Voltaje/Frecuencia (V/F).


34

También existen algunos convertidores que hacen el control ya no escalar sino

Vectorial que es un algoritmo un poco más complejo y para aplicaciones más

especializadas que usa unas transformaciones algebraicas que se realizan sobre la

corriente y que permiten establecer una especie de igualdad entre la corriente y el par

motor o lo que es lo mismo decir muy aproximadamente que la corriente es directamente

proporcional al par y a partir de esas transformaciones poder trabajar directamente sobre

la corriente.

Actualmente en el mercado existen diversos fabricantes y oferentes de

convertidores de frecuencia o variadores de velocidad tales como Siemens o ABB. Para

seleccionar un variador es importante conocer la aplicación y poder determinar el tipo de

control que se requiere además de saber la corriente nominal del motor que se le va a

conectar y se debe elegir el variador de acuerdo a la corriente de salida. Esa corriente de

salida del variador debe ser siempre más alta que la corriente nominal del motor.

Existen algunas ocasiones en las que el Variador de velocidad tiene ciertas

aplicaciones interesantes. Por ejemplo el Sinamics V20 de la marca Siemens es un

equipo que se puede alimentar mediante 110V Monofásicos y controlar la velocidad de

motores Trifásicos. Eso quiere decir que realizan una interfaz Monofásico a trifásico por

lo que hoy en día es muy normal verlo.

En la Figura 12 se muestra un variador de velocidad de la marca Danfoss uno de

los fabricantes de variadores más comunes en el mercado colombiano.


35

Figura 12. Variador de Velocidad VLT 5000 del fabricante Danfoss. [13]

2.5. Temporizadores [14]

En su forma más simple un temporizador es un circuito que permite realizar

conexión o desconexión de uno o varios circuitos eléctricos luego de transcurrido el

tiempo que se le ha programado. Consta principalmente de un contador binario que se

encarga de medir los pulsos entregados por un reloj externo o un circuito oscilador

cualquiera.

El temporizador es muy similar al relé, pero la diferencia es que, en los

temporizadores, los contactos no cambian de estado o de posición instantáneamente.

Los temporizadores pueden dividirse en:

2.5.1. Temporizadores de Conexión

Reciben tensión y cuentan hasta el límite establecido, tiempo en el cual liberan los

contactos.

2.5.2. Temporizadores de Desconexión

Este tipo de temporizadores después de perder alimentación siguen contando

hasta el límite establecido tiempo después del cual liberan los contactos.


36

2.5.3. Temporizadores Industriales

Los temporizadores industriales se dividen en: térmicos, neumáticos, electrónicos

y magnéticos.

2.5.4. Temporizadores Térmicos

El tiempo se calcula por qué tanto se deflacta un Bimetálico, proceso que ocurre

por el calentamiento del material.

2.5.5. Temporizadores Neumáticos

Consta de un fuelle que se comprime al ser accionado por un electroimán

2.5.6. Temporizadores Electrónicos

Principalmente se basa en descargar un condensador a través de una resistencia.

2.5.7. Temporizadores Magnéticos

Se basa en un tubo de Cobre ensartado en el núcleo magnético

En la Figura 13 se muestra un ejemplo de un temporizador industrial de la marca

GIC.

Figura 13. Temporizador Industrial Programable [15]

Actualmente, la mayoría de los Controladores Lógicos Programables (PLC)

cuentan internamente con sus propios temporizadores.


37

2.6. Marco Conceptual

2.6.1. Producción de Concentrados de tintas

Para entender mejor el proceso de producción de concentrados de tintas, se

definen a continuación sus dos fases principales: [1]

2.6.1.1. Fase de Empastado

Es la primera mezcla entre dos o más materiales, normalmente un sólido y un fluido hasta

lograr un producto generalmente no del todo homogéneo. [1]

2.6.1.2. Fase de Molienda

Es el proceso en el que la mezcla anterior ingresa a unos molinos de perlas con el fin de

obtener un tamaño de partícula lo suficientemente pequeño para obtener una mezcla

mucho más homogénea. [1]

2.6.2. Agitadores Cowles

Los agitadores Cowles en la industria se usan para la mezcla de productos sólidos

y líquidos con el fin de conseguir una mezcla cada vez más homogénea, generalmente

se utiliza para la mezcla de pinturas, barnices o tintas en general. En la Figura 14 se

muestra un ejemplo de agitador Cowles industrial. [1]

Figura 14. Agitador Cowles Dispermix Oliver & Battle. [19]


38

Existen tres tipos de básicos de agitadores que se pueden encontrar en la industria

y se pasarán a explicar detalladamente:

2.6.2.1. Agitadores Axiales

Permiten recirculación creando un campo de ida y vuelta que se encuentra por lo

general paralelo al eje de giro. Estos agitadores incluyen a todos los que forman un

ángulo menor o igual a 90° con el plano que se encuentra perpendicular al eje siendo las

de palas o aspas inclinadas las más representativas de estos tipos de agitadores. Existen

en el mercado distintos rangos de velocidades de trabajo de estos agitadores, que

depende de si trabajan por transmisión directa o por engranajes. Un ejemplo de esto se

muestra en la Figura 15. [20]

Figura 15. Campos de velocidades en el depósito de agitación axial. [20]

2.6.2.2. Agitadores Radiales

Dentro de estos agitadores aparecen los de palas planas siendo los más

representativos. Las palas o aspas son paralelas al eje del motor. Aparecen las turbinas

y los agitadores de pala o paleta. Las turbinas son las más pequeñas y que constan de

múltiples aspas. Los más grandes y de por lo general cuatro aspas son los agitadores.

[20]


39

En la mayoría de los procesos industriales se busca que las aspas consigan la

mayor posibilidad de empuje inicial posible, mientras que la velocidad tangencial cobra

menor importancia. Es por esta razón que este tipo de agitadores no son muy usados en

la industria y es de mayor facilidad encontrar en la mayoría de las aplicaciones

industriales los agitadores que maximizan el flujo y minimizan la velocidad tangencial.

[20]

Estos agitadores son de palas rígidas y de acuerdo a la viscosidad del flujo

aumentan o reducen su velocidad axial. Existe una relación entre el área total de las

aspas y el círculo sobre el cual trabaja el agitador. Un ejemplo de esto se muestra en la

Figura 16.

Figura 16. Campos de velocidades en el depósito de agitación radial. [20]

2.6.2.3. Agitadores de Paso Cerrado

Este tipo de agitadores se usan en aplicaciones donde se requiera agitar mezclas

con demasiada viscosidad. Su principal característica es que pueden trabajar muy

cercanos a la pared del estanque por lo que resultan muy útiles para estas mezclas que

presentan alta viscosidad. Para este tipo de aplicaciones es necesario tener concentrada

la capacidad de mezcla cerca de la pared, consiguiendo considerablemente más efectivo

que en los otros agitadores anteriormente mencionados. [20]


40

2.6.2.4. Aplicación De Los Agitadores En La Industria

Tiene diversos fines en la industria por lo que se debe tener cuidado de la

aplicación en la cual se va a trabajar, las aplicaciones más destacadas en la industria

son: La Homogenización de fluidos, suspensión de un sólido en un líquido, emulsión de

dos fluidos insolubles, empastado de mezclas en la fabricación de tintas, inyección de

gas en un fluido, intercambio de temperatura entre un fluido y una superficie de

enfriamiento, fermentación, cristalización y la hidrogenación. [20]

2.6.3. Estado Actual

Muchas empresas a nivel mundial ya utilizan sistemas de automatización. Puede

que las empresas no sean estrictamente de fabricación de tintas, pero requieren de

sistemas automatizados para cumplir con sus procesos. Ahora, en Colombia hay

demasiadas empresas que usan sistemas de automatización, pero en nuestro país sólo

hay una empresa dedicada específicamente a la fabricación de tintas, y es precisamente

la empresa SunChemical por lo tanto será difícil profundizar en el estado actual de las

empresas fabricadoras de tintas, al menos en Colombia.

Cabe aclarar que, si hay empresas en Colombia que trabajen con Tintas, sin

embargo, estas se dedican a la importación o exportación de los productos, más no a la

fabricación. De éste modo, algunas de esas empresas importadoras son:

• Recolquim S.A

Con casa Matriz en Sabaneta, Antioquia, es una empresa comercializadora de

productos químicos y colorantes para muchos sectores industriales como el textil y el

automotriz. [21]

• QuimicoPlásticos

Es una empresa colombiana con casa matriz en Envigado, Antioquia experta en la

distribución de materias primas para las industrias de plásticos, tintas y pinturas. Fue

fundada en 1982 como distribuidora de resinas de Poliestireno para la empresa Dow

Química de Colombia. [22]


41

• Mesa Hermanos & Cia

Es una empresa colombiana dedicada a la importación y comercialización de

materias primas, productos químicos, productos naturales, colorantes para muchos

sectores, entre otras líneas de productos. [23]

• Suproquin Ltda.

Es una empresa colombiana con casa matriz en la Ciudad de Medellín, Antioquia

dedicada al suministro de productos químicos industriales entre ellos tintas, pinturas,

plásticos, cauchos y cerámicas. [24]

• D’mapri S.A.S

Es una empresa colombiana fundada en 1992 con casa matriz en la ciudad de

Bogotá, Cundinamarca dedicada a la Distribución de Materias Primas pigmentos y

colorantes para la industria de tintas, pinturas, plásticos, Tintas y Lacas entre otras. [25]

A esta lista se suman otras empresas que se dedican a la representación o

distribución de materias primas para las industrias dedicadas a la coloración de cualquier

clase de productos.

Algunas de ellas son:

✓ NovaColor S.A.S

✓ AlfaQuímicos S.A.S

✓ Rodher S.A.S

✓ Químicos y Solventes LTDA

✓ Primax de Colombia S.A

✓ DeQuímicos LTDA

✓ Conquímica.


42

Existen algunos proyectos de automatización que incluyen el control de agitadores,

muchos de ellos, son proyectos de grado. Algunos de estos proyectos se describen a

continuación:

Nombre: "Diseño de un prototipo aplicado a la automatización del proceso

de pasteurización de la leche mediante el método discontinuo"

Autores: David Hernán Gustín Guerrero y Nancy Cristina Legarda López,

estudiantes de Ing. Electrónica de la Universidad de Nariño. (2012)

Descripción: En este proyecto se realiza el diseño de un prototipo de

pasteurización de la leche, con el fin de desarrollar el proceso de forma automática y

cumpliendo con los parámetros establecidos para obtener una leche de óptima calidad.

De esta forma el proyecto evita al máximo el contacto de los operarios encargados de

realizar las mediciones de temperatura y cantidad de calor suministrado al proceso y

reduce la cantidad de agua desperdiciada en la etapa de enfriamiento. La evidencia de

la implementación se muestra en la Figura 17. [26]

Figura 17. Marmita con motor agitador utilizados en el proyecto. [26]

Nombre: "Sistema de control de velocidad de un motor trifásico mediante un

variador de frecuencia y sistema scada"

Autores: Estiven Andrés Sanabria Betancur y Juan David Sánchez Ramos,

estudiantes de la Universidad tecnológica de Pereira. (2016)


43

Descripción: Realizaron un módulo didáctico para el laboratorio de mecatrónica

de la Universidad, para que lo estudiantes pudiesen poner en práctica los conocimientos

adquiridos en la carrera. El módulo creado se compone de un PLC, un variador de

velocidad y un motor trifásico. El módulo cuenta con un arrancador para el motor donde

tiene un Start- stop, un contactor y un relé térmico, el cual protege de posibles

sobrecargas en el motor, el PLC lo utilizan para enviar por medio del protocolo ModBus

la señal analógica que controla al variador, el cual lo utilizan para generar una tercera

fase en el motor y finalmente controlar su velocidad. En las Figuras 18, 19 y 20 se

observan algunas evidencias de la implementación del proyecto. [27]

Figura 18. Módulo de control de velocidad de un motor trifásico. [27]

Figura 19. PLC que envía la señal análoga al variador. [27]


44

Figura 20. (Fuente de alimentación de 0 a 10 V DC). [27]

2.7. Metodología

El diseño metodológico del proyecto está basado en el siguiente diagrama de

bloques descrito por la Figura 21:

Figura 21. Diagrama descriptivo del diseño metodológico del proyecto. [28]


45

En la Figura 21 se muestra el diagrama de bloques que describe el diseño

metodológico del proyecto el cual está dividido en dos partes: una primera parte que hace

referencia a la identificación y comprensión del problema y una segunda parte que hace

referencia al desarrollo de la solución propuesta, donde se observan varios bloques que

pueden ser interpretados como fases del proyecto. La primera fase que se observa es la

fase de supervisión la cual influye directamente en la fase de control. La fase de control

recibe datos tanto de la fase de supervisión como de sensores instalados directamente

en el proceso de producción, de acuerdo a su programación procesa los datos adquiridos

y toma decisiones generando salidas a los respectivos actuadores, los cuales se

encargan de influir en el proceso de producción de tal forma que cumpla los

requerimientos obtenidos por la fase de supervisión.

A continuación, se describe a fondo cada uno de los bloques del diagrama:

2.7.1. Técnicas de recolección de datos

Dentro de las técnicas de recolección de datos a utilizar en este proyecto se

encuentra la indagación por medio de preguntas puntuales a los empleados del área de

ingeniería de procesos de la empresa SunChemical Yumbo ya que es en esta área donde

se tiene la información histórica de los tiempos específicos del proceso objeto de estudio.

Adicional a esta área se realizarán preguntas a los operarios propios de la zona de

fabricación de concentrados en base solvente para tener una segunda fuente de

información, donde se encontrarán los factores problema específicos que permitirán

describir correctamente la problemática que ocurre en el proceso, siendo enfáticos en

buscar los problemas actuales puntuales en el proceso de empastado. Los métodos de

investigación a utilizar para plantear una solución a la pregunta son por ejemplo la

búsqueda de información por medio de herramientas accesibles como el internet, libros,

revistas, artículos científicos, trabajos de grado, proyectos de investigación o

emprendimiento afines, proyectos realizados por empresas prestadoras de servicios de

igual índole, entre otros.


46

2.7.2. Fase de supervisión

Dentro de la fase de supervisión del proyecto se encuentra la implementación de

una interfaz HMI, de tal forma que les facilite el control y la supervisión del proceso de

empastado a los operarios de esta área. Se comenzará investigando sobre el tipo de

interfaz gráfica que más se ajuste a los requerimientos del proceso, paso seguido se

buscará el software a utilizar para realizar el respectivo diseño de la interfaz, por último,

se procederá a diseñar y programar la HMI de tal forma que sea intuitiva, ergonómica y

que entregue de forma óptima los datos al respectivo PLC.

2.7.3. Fase de control, actuadores y sensores

Dentro de esta fase se encuentra la programación del respectivo PLC que será el

que efectuará el control de los 4 agitadores en las variables de velocidad y tiempo de

agitación, con base en lo que establezca el operario por medio de la pantalla HMI.

Esta fase comenzará por familiarizarse con el PLC que la universidad nos facilitará,

esto implica conocer las especificaciones técnicas del equipo por medio de su manual de

usuario, además se deberá investigar sobre el uso de su software de programación, esto

incluye investigar funciones, librerías, tipo de programación óptima a utilizar, entre otros

factores importantes, también se investigará sobre las tecnologías de instrumentación

que puedan ayudar y que mejor se adapten a nuestra aplicación.

Por último, se programará el PLC seleccionado por medio del software investigado

y el tipo de programación adecuado de tal forma que el PLC sea capaz de mandar las

señales de control pertinentes a través de los actuadores y tecnologías de

instrumentación seleccionadas. Finalmente se verificará el funcionamiento de cada parte

del sistema de control.

2.7.4. Fase de pruebas finales

En esta fase se encuentra la unión de las fases de control y supervisión, se

realizarán las respectivas conexiones entre el PLC y la pantalla HMI y los cuatro

agitadores, todo eso englobaría nuestros sistemas de hardware y software necesarios

para dar la validación al producto final.


47

Las pruebas finales se realizarán en las instalaciones de la Universidad y con los

materiales brindados por ésta. La implementación del proyecto está limitada a un

prototipo funcional de la automatización planteada, controlando un motor de

características similares a los motores de los agitadores Cowles de la empresa

SunChemical. Estos materiales serán prestados por el laboratorio de Ingeniería

Agroindustrial Naranjos.

3. DISEÑO GENERAL Y SELECCIÒN DE TECNOLOGÌAS

La Empresa Sun Chemical está trabajando en las mejoras de sus procesos. Uno

de los procesos a mejorar es particularmente, el de empastado de concentrados de tintas

en base solvente que actualmente está trabajando de forma manual. La empresa requiere

de un sistema automático que se encargue de temporizar y variar la velocidad de los

agitadores. Se requiere de un sistema que temporice una o varias velocidades

previamente seleccionadas y para esto es válido aclarar que la empresa ha solicitado que

sean 8 velocidades fijas que son las que usan para el proceso. Adicional a esto, la

empresa también sugirió que fueran 5 etapas fijas como habitualmente se trabaja en la

empresa. Esto quiere decir que se contará con 8 Velocidades diferentes fijas y 5 etapas

en las cuales estará presente alguna de las 8 velocidades anteriores. Esto último

introduce la idea de tener una matriz con 8 Columnas y 5 Filas, las columnas serán las

Velocidades y las Filas serán las etapas. Por esto, se ha decidido que un PLC, seleccione

esas velocidades configuradas en un Variador de Velocidad de acuerdo con una decisión

del operario, quien podrá digitar dicha decisión desde una HMI.

Para ser más descriptivos, se expone a continuación (Ver Figura 22) un esquema

general de la solución electrónica.


48

3.1. Criterios para el diseño de la solución general

3.1.1. Motor y caracterización

Es importante empezar este apartado diciendo que la empresa no necesita

cotizaciones, diseño o sugerencias sobre los motores a usar, debido a que la empresa

ya cuenta con estos, por lo tanto la solución se propone como automatización, pero sin

cambiar las herramientas de hardware que ya se tienen. Por ejemplo, los motores que

posee la empresa son motores asíncronos trifásicos de rotor de Jaula de Ardilla con

alimentación a 460V y Velocidad nominal de 1800 Rpm. La solución se enfoca en la

variación de la velocidad de los motores y por eso es necesario un sistema que se

encargue de hacer dicha variación con un Variador de Velocidad.

Figura 22. Esquema General de la Solución Electrónica - Circuito


49

3.1.2. Variador de Velocidad y parametrización

Este dispositivo es el encargado de hacer una variación de frecuencia con el fin de

variar la velocidad de los motores dependiendo de unas condiciones de entrada y en

algunos casos será capaz de establecer un control para reconocer, por ejemplo, una

pérdida de fase, un desbalance de fases, una desconexión del motor, una sobre corriente,

un sobre voltaje y otras variables adicionales. En algunos casos los variadores de

velocidad pueden garantizar una velocidad del motor constante ante cambios en

variables como la carga y continúan en funcionamiento con la velocidad configurada

hasta cierto punto parametrizado en el mismo variador. Los variadores incluso cuentan

con la función de arrancador suave, es decir, establecer una rampa de aceleración y una

de desaceleración de forma tal que el motor no se desgaste tanto.

El motor en condiciones de arranque directo exige demasiada corriente y dado

que los motores son básicamente Bobinados, es decir, que cuentan con presencia de

elementos inductivos pues van a generar inicialmente reactivos inductivos que

incrementan el consumo de corriente y un desgaste muy rápido. Estos problemas serán

solucionados con un arrancador suave o, para este caso, con un variador de velocidad.

El Variador de Velocidad se va a encargar, de acuerdo a unas entradas (Análogas

o Digitales), de seleccionar una velocidad previamente parametrizada en la CPU del

equipo que finalmente va a hacer mover el Motor conectado a la salida. Parametrizar

tiene sentido en los elementos a los cuales no se tiene el acceso al código de

programación, sino únicamente a los valores que ingresan como entradas de las

funciones del código (Potencia, Voltaje, Velocidad, frecuencia, etc.). Quiere decir que,

por ejemplo, la CPU de un Variador de Velocidad necesita saber ciertas condiciones a

las cuales va a operar. Dichas condiciones son el voltaje, corriente y potencia del motor,

así como su velocidad nominal y las frecuencias mínima y máxima a las cuales el motor

va a operar. Esta y otras funciones como las rampas de aceleración y desaceleración se

parametrizan (códigos específicos), pero no se programan debido a que el controlador

del


50

Variador de Velocidad va a recibir esas entradas Parametrizadas y va a funcionar

de acuerdo con eso.

Se sabe que los equipos suben de precio de acuerdo a sus características y para

el caso de los variadores de velocidad de la misma referencia su precio aumenta con

respecto al incremento de la potencia del motor que van a mover, entonces puede que

un variador, por ejemplo, Siemens para un motor de 1Hp tenga un precio aproximado de

$1’600.000 pero uno para un motor de 20Hp tiene un precio aproximado de $5’700.000.

sin embargo, sus funcionalidades son las mismas, lo único que va a cambiar es la

potencia del variador y el motor que va a mover.

En términos técnicos, la velocidad del motor conectado al variador se trata en Hz

(frecuencia). Muchos de esos variadores hacen posible mover un motor a frecuencias

superiores a la frecuencia de alimentación de la red pública (Que para Colombia es de

60Hz), aunque algunas aplicaciones permiten únicamente mover el motor hasta la

máxima frecuencia de alimentación de la red pública.

El proceso está pensado para trabajar con salidas digitales del PLC conectadas a

las entradas digitales del Variador, este último, de acuerdo con la combinación binaria de

estas entradas, decidirá a qué velocidad mover el motor, velocidad previamente

parametrizada en el CPU del variador. Se piensa en salidas digitales y esto se explicará

en el apartado PLC del presente capítulo.

La Figura 23 muestra el diagrama de conexiones de un variador y específicamente

es de importancia, las entradas digitales del mismo.


51

Figura 23. Diagrama de conexiones de un Variador de Velocidad. Imagen extraída del manual del Variador Sinamics G120C

Las salidas digitales de un PLC son salidas a 24V, lo que significa que, por

ejemplo, van a ser conectadas en los pines 5, 6, 7, 8, 16 y/o 17. Estos pines pueden ser

reconocidos en el rack -X138 en la parte inferior de la Figura 23.

Entonces, es posible parametrizar el variador de velocidad de forma tal que, de

acuerdo con unos umbrales mínimo y máximo de velocidad, y a la combinación binaria

presente en las entradas digitales del mismo, poder seleccionar un porcentaje de

velocidad. Por ejemplo, si la velocidad mínima configurada es 0Hz y la máxima es 60Hz

y si la combinación binaria presente en las entradas digitales es 00000, el motor se va a

mover a 0Hz, es decir; no se va a mover, y así, si la combinación binaria presente en las

entradas digitales del variador es 11111 se va a mover a 60Hz. Los valores de velocidad

que el variador escoja serán configurados en porcentaje. Los valores mínimo y máximo

son 0% y 100% respectivamente.


52

Siguiendo lo anterior, aparece una posible fórmula para saber aproximadamente

el Spam de velocidades posible para seleccionar, por ejemplo, en un motor conectado a

una red de alimentación de 60Hz.

# 𝑑𝑒 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑒𝑛 𝐻𝑧 = 60

32= 1.875

La anterior ecuación también se puede extrapolar a calcularlo con velocidad en

RPM, por ejemplo, para un motor de 1200Rpm.

# 𝑑𝑒 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑒𝑛 𝑅𝑝𝑚 = 1200

32= 37.5

5 bits o 32 Valores posibles de combinaciones; quiere decir que, es probable

obtener variaciones de 100%/32=3,125%.

Las dos anteriores formulas definen el spam de velocidades a seleccionar de

acuerdo con los parámetros, bien sea en velocidad en Rpm o en Hz.

Es importante aclarar, que el variador de velocidad cuenta con un Bit de Arranque

lo que induce que si el Bit es 0 el variador no arranca y si el Bit es 1 el Variador si Arranca.

Ese bit puede ser un pulsador, un botón, puede ser modificado por bus digital o puede

ser una señal proveniente del PLC que le diga al variador si se activa o se desactiva.

3.1.3. PLC y Lógica de Promoción

Se continua con el PLC que es el controlador para el proceso. Para poder escribir

un programa en un PLC es necesario seguir una ruta de diseño especifico conocido como

GRAFCET. Básicamente es un diagrama de flujo especialmente pensado para

programas en PLC ya que se trabaja mediante estados y será mucho más fácil entenderlo

para posteriormente escribirlo en el lenguaje LADDER.

El GRAFCET permite visualizar de una forma clara los estados, las transiciones y

las acciones asociadas pertenecientes al programa.


53

Se piensa inicialmente, que el sistema funcionará mediante salidas digitales del

PLC para posteriormente ser enviadas al Variador de Velocidad, que se encargará, de

acuerdo con la combinación binaria de esas salidas digitales, de escoger una velocidad

que fue previamente parametrizada en el CPU del variador.

Debido a que la empresa ha sugerido el uso de 8 velocidades y de 5 etapas, se

asocian las 8 velocidades a 3 bits, que de acuerdo a su combinación binaria, seleccionará

alguna de las 8 velocidades y a cada etapa se le asigna un tiempo. Las variables de

Tiempo y Velocidad serán asignadas por el operario desde la HMI.

La tabla 1 muestra Las Variables de entrada y de salida de acuerdo con la correcta

aplicación del sistema.

VARIABLES DEL PLC – Para un Agitador

ENTRADAS DIRECCIÓN SALIDAS DIRECCIÓN

Start I0.0 Bit de Arranque Q0.0

Pause I0.1 Speed 1 Q0.1

Stop I0.2 Speed 2 Q0.2

Velocidad 1 MB4 Speed 3 Q0.3

Velocidad 2 MB8 Baliza Roja Q0.4

Velocidad 3 MB12 Baliza Amarilla Q0.5

Velocidad 4 MB16 Baliza Verde Q0.6

Velocidad 5 MB20 T. Transcurrido 1 MD34

Tiempo 1 MD24 T. Transcurrido 2 MD36




Tiempo 5 MD32 Tabla 1. Tabla de Variables del PLC con sus respectivas direcciones

De acuerdo con eso, la Figura 24 muestra el GRAFCET del sistema para un

agitador, el cual será utilizado como un bloque funcional para los demás agitadores.


54

Figura 24. Grafcet General del Sistema

Teniendo en cuenta la extensión del GRAFCET a continuación una serie de

imágenes que describen cada Fila, es decir cada etapa.

La primera de ellas es la etapa 1, Fila 1 que se muestra en la Figura 25.

Figura 25. Etapa 1, Fila 1 del diseño de funcionamiento del Sistema


55

Figura 26. Etapa 2, Fila 2 del diseño de Funcionamiento del Sistema


Figura 28. Etapa 4 Fila 4 del diseño de Funcionamiento del Sistema

La segunda etapa perteneciente a la fila 2 se muestra en la Figura 26.

La tercera etapa perteneciente a la fila 3 se muestra en la Figura 27.

La cuarta etapa perteneciente a la fila 4 se muestra en la Figura 28.


56


La quinta y última etapa perteneciente a la fila 5 se muestra en la Figura 29.

Dicho GRAFCET fue diseñado utilizando un Software llamado OFT2

especialmente pensado para diseño de GRAFCET.

Las Figuras 25 a 29 muestran claramente el diseño del GRAFCET. Se logra ver

que cada etapa tiene 8 estados, y únicamente uno de ellos estará activo en el tiempo,

quiere decir que no habrá más de 1 etapa activa en el tiempo.

Se trata de 52 Estados numerados del 1 al 40, los 5 Estados de Pause Ep (1-5), 5

Estados Auxiliares Ax (1-5), el Estado 0 (inicio) y el estado 100 (paro). La idea es que el

GRAFCET inicia con el estado 0 y la única manera de salir de ese estado hacia los

siguientes estados, es que se presente la variable START y alguna de las variables XmVn

(Ver figura 25). XmVn son posiciones de una matriz de velocidades (Tabla 1) y debido a

la solicitud por parte de la empresa para que sean 8 Velocidades Fijas y 5 Etapas hay

entonces 40 elementos de una matriz. Xm hace referencia a las Filas de dicha matriz o

lo que supone cualquiera de las 5 etapas que determina cada una, el tiempo requerido

por el operario a una velocidad (Vn); Vn hace referencia a las Columnas lo que supone

cualquiera de las 8 velocidades que el operario desee. Las 5 Filas que se logran distinguir

del GRAFCET son las 5 Filas que hacen parte de la matriz de velocidades, y las 8

columnas harán parte de las 8 columnas de la matriz de velocidades.


57

Debido a que, se trabajará con motores trifásicos a 1800 Rpm de velocidad

nominal, las velocidades seleccionadas por la empresa van desde la más baja hasta casi

acercándose a la más alta.

La Tabla 2 muestra más claramente las velocidades fijas seleccionadas por la

empresa, como las que se usan en el proceso.

MATRIZ DE VELOCIDADES Velocidades Vn 1 2 3 4 5 6 7 8

Etapas Xm

1 200 250 500 750 850 1100 1200 1500

2 200 250 500 750 850 1100 1200 1500

3 200 250 500 750 850 1100 1200 1500

4 200 250 500 750 850 1100 1200 1500

5 200 250 500 750 850 1100 1200 1500 Tabla 2. Matriz de Velocidades. Valores en RPM

La Tabla 2 muestra la matriz de velocidades diseñada teniendo en cuenta las

velocidades y la cantidad de etapas suministradas por la empresa. Las X son Filas y las

V son Columnas. La Fila 1 Columna 1 cuyo valor es 200 tiene somo subíndice X1V1 y

así sucesivamente teniendo en cuenta la posición exacta de la matriz. Son 8 Velocidades

Fijas diferentes para cada Columna, pero iguales durante todas las 5 etapas o Filas.

Quiere decir, que las posiciones X1V1, X2V1, X3V1, X4V2 y X5V1 tienen el mismo valor

de Velocidad en RPM y así para cada columna. En conclusión, la finalidad es asignar una

velocidad (Vn) para cada etapa (Xm) a la que después el operario le asignara un tiempo.

Un ejemplo de selección de velocidades por el operario para el sistema es: Se

tiene como receta, elegir las velocidades 200 Rpm para la etapa 1, 750 Rpm para la etapa

2, 850 Rpm para la etapa 3, 500 Rpm para la etapa 4 y 1200 Rpm para la etapa 5 y la

tabla 3, muestra gráficamente dicho ejemplo.


58

MATRIZ DE VELOCIDADES Velocidades Vn 1 2 3 4 5 6 7 8

Etapas Xm

1 200 250 500 750 850 1100 1200 1500

2 200 250 500 750 850 1100 1200 1500

3 200 250 500 750 850 1100 1200 1500

4 200 250 500 750 850 1100 1200 1500

5 200 250 500 750 850 1100 1200 1500 Tabla 3. Ejemplo de selección de velocidades en la matriz

Esto quiere decir que se van a activar 5 señales XmVn, ósea X1V1, X2V4, X3V5,

X4V3 y X5V7 por lo que los estados del GRAFCET que se van a activar son: 1 (ver

Figura 25), 12 (Ver Figura 26), 21 (Ver Figura 27), 27 (Ver Figura 28) y 39 (Ver Figura

29).

Estas variables de Velocidades y Tiempos serán enviadas desde la HMI, Más

claramente, si el operario digita 200 Rpm como velocidad para la etapa 1, entonces se

va a activar una marca llamada X1V1, si digita 750 Rpm como velocidad para la etapa 2,

entonces se va a activar una marca llamada X2V4 y así sucesivamente.

El estado de Parada o E100 es un estado necesario para cada agitador, pero se

consideró necesario junto con el departamento de Proyectos de la empresa Sun

Chemical que era bueno, aunque no indispensable, que también se contara con estados

de Pause entre etapas, que le permitiría pausar el accionamiento, pero sin olvidar el

tiempo configurado y transcurrido, sin que se altere el tiempo restante. Por ejemplo, si se

configuró una hora y lleva media hora de proceso, el estado de parada induce el reinicio

completo del temporizador de una hora, pero el estado de pause, guarda el tiempo

transcurrido del temporizador y en el momento en el que se desee volver a arrancar el

proceso, el sistema tardaría media hora en terminar esa etapa.

Cabe aclarar que este estado de pause es bueno tenerlo, aunque, según los

ingenieros de la empresa, no es indispensable, dado que el operario puede volver a

configurar el tiempo que le falta por culminar dicha etapa.


59

Las entradas se han mencionado y solo queda hablar de las salidas. De acuerdo

con los parámetros importantes en automatización de PLC es válido aclarar que, por

ejemplo, los estados se asocian con marcas o bobinas y que las salidas se tratan también

como marcas o bobinas. Quiere decir que existirá algún contacto durante el programa

que active una o varias marcas, pero existe una restricción: Dentro de todo el programa

Ladder, pueden usarse muchas veces los contactos asociados a cualquier dirección, pero

sólo una vez se puede usar marca. En conclusión, durante el programa pueden existir

muchos contactos de la misma dirección y una marca se puede usarse una única vez.

Existen muchas formas de escribir en los registros y/o en las salidas siendo la más

tradicional, seleccionar una marca que permita escribir en un bit especifico de ese

registro. Pero también habrá formas de escribir sin usar marcas, sino una instrucción

propia del PLC como mover a un registro un número real de acuerdo con la necesidad

específica del caso y así, existen muchas más formas de ejecutar el programa. Es

decisión del programador escoger la manera más adecuada para él.

En cualquier momento que se requiera conocer las Entradas y Salidas del Sistema,

que están formuladas para un agitador, pero se pueden reutilizar en los otros 3, por favor

referirse a la Tabla 1.

Ya se ha tenido en cuenta la combinación binaria de las salidas digitales de la

velocidad que se conectarán al Variador de Velocidad, también se tomó en cuenta el Bit

de arranque que es una salida digital del PLC y que se va a conectar al Variador de

Velocidad, pero no se ha tenido en cuenta algo visual que le va a servir al operario en

campo para reconocer el estado en el que se encuentra cada uno de los 4 agitadores.

Para eso se ha dispuesto de 3 Balizas para cada agitador, una Verde que va a indicar

que el agitador está en funcionamiento, una roja que indica que el agitador está en estado

de Stop y una Amarilla que indica que el Agitador está en estado de Pause.


60

Cada estado debe tener asociada la acción de una baliza y ahora mismo es claro

que los Estados del 1 al 40 van a tener asociada la Baliza Verde dado que en esos

estados el agitador se encuentra en funcionamiento, en el Estado 0 la Baliza Roja será

la que se active debido a que ahí es donde regresa el programa presionando el botón de

Parada y a la hora de energizar el sistema, y en los Estados de Pause Pm (P1, P2, P3,

P4, P5) la Baliza Amarilla será la que esté activa para indicar una diferencia entre el

estado de parada y de pause. El motor va a estar quieto, pero no por falta de configuración

o parametrización sino porque se detuvo el conteo del temporizador asociado a la etapa

misma en donde se detuvo para ejecutar alguna tarea externa.

La figura 30 muestra más claramente lo anteriormente expuesto.

Figura 30. Encendido de las Balizas de Acuerdo a los Estados Correspondientes

Entonces, las bobinas correspondientes a cada Baliza serán asignadas dentro del

programa del PLC. La Baliza Roja indica que el Motor está totalmente detenido, que el

Bit de Arranque es 0 y que el sistema se acaba de energizar o acaba de cambiar de

Estado en Funcionamiento a Estado en Parada lo que significa que el temporizador

configurado por el operario volvió a 0. La Baliza Amarilla indica que el sistema acaba de

cambiar de Estado en Funcionamiento a Estado en Pausa y es ahí donde el Bit de

Arranque es 0, el sistema está completamente detenido y el Temporizador interno del

programa guardó el tiempo configurado por el operario para retomar en el preciso

momento en que el operario presione nuevamente el botón de Inicio del agitador en

mención. La Baliza Verde indica que el sistema acaba de pasar de Estado en Pausa o

Estado en Parada a Estado en Funcionamiento lo que significa que el Bit de Arranque es

1 y el sistema está en funcionamiento o lo que equivale a decir que el motor está en

movimiento a la velocidad que el operario configuró además de afirmar que el

temporizador está corriendo el tiempo también configurado por el operario.


61

Para darle mejor manejo a los Bits Inicio, Stop y Pause se hace un pequeño enlace

entre el significado físico de cada Bit y el sentido para el programa. De acuerdo con eso,

se va a trabajar con dos bobinas llamadas Start e Iniciando. Start se va a activar

únicamente cuando se presione el botón Inicio y se va a quedar enclavado hasta que se

presione el botón Stop o que se llegue al final del ciclo de cada agitador y con esa bobina

llamada Start se va a trabajar durante el programa. La bobina Iniciando se pone en el

programa por la aparición del Estado en Pause. Dicha bobina solo se activará cuando se

presione el botón Inicio y se quedará enclavado hasta que presione el botón Stop o el

botón Pause. Con esas Bobinas llamadas Start e Iniciando se va a trabajar todo el

programa. La Figura 31 muestra el funcionamiento de los explicado anteriormente.

Figura 31. Programa para enclavamiento de las señales Start e Iniciando de acuerdo al accionar de los

pulsadores Inicio, Stop y Pause

La imagen anterior muestra claramente mediante lenguaje LADDER o de

contactos (KOP) el enclavamiento de las bobinas Start e Iniciando que van a ser las

bobinas bajo las cuales se va a trabajar durante todo el programa, esto va a facilitar que

no se involucren en todos los estados y sólo se involucren generalmente en una pequeña

parte del gran programa.


62

Finalmente es sumamente importante permitir que la operación de un agitador no

afecte el funcionamiento de los otros 3, es decir que cada funcionamiento sea

independiente y separado el uno del otro. Por lo cual, se planea entonces escribir el

código usando funciones independientes y sean llamadas en el programa principal de

acuerdo a los requerimientos del programa.

La Figura 32 muestra el esquema de los 4 agitadores sin que el funcionamiento

de uno afecte el del otro.

Figura 32. GRAFCET del sistema usando Funciones

Como se logra ver, el sistema funciona de manera paralela, así, cada agitador

funciona independientemente del otro.

3.1.4. Diseño de la interfaz Hombre-Máquina

Para el diseño de la HMI se pensó en una interfaz sencilla e intuitiva, que le

permitiera al usuario ingresar las variables de tiempo y velocidad necesarias, en el orden

que la receta lo indique, de tal forma que el PLC pueda con esta información programar

el ciclo de proceso para cada agitador.


63

Se comienza el diseño pensando en un sencillo panel de navegación que se ubica

en la zona inferior de la interfaz, este panel cumple el objetivo de facilitar el

desplazamiento entre ventanas y se conforma por 3 botones que serían; Pantalla

Principal, Configuración e Información. La interfaz cuenta con 3 ventanas principales,

cada botón se encarga de activar su respectiva ventana. En la Figura 33, se aprecia la

pantalla principal que será la ventana que se active por defecto al encender la Touch

Panel.

Figura 33. Ventana de home o pantalla de principal.

Como se aprecia en la Figura 33, la pantalla principal está compuesta por datos

básicos del proyecto como el título, el subtítulo, los autores del proyecto y los respectivos

logos tanto de la Universidad San Buenaventura como de la empresa SunChemical.

Al ingresar a la ventana de configuración el usuario se encontrará con 4 botones

para realizar la elección del agitador a configurar, cada botón tendrá la imagen de un

agitador, el color del botón hace alusión al color de tinta que se fabrica en dicho agitador,

como se observa en la Figura 34.


64

Figura 34. Ventana de configuración (Selección de agitador).

Al oprimir el botón de cualquiera de los cuatro agitadores en la ventana de

configuración, se activará la ventana de configuración de dicho agitador en específico, en

la cual el usuario contará con 5 espacios de selección de valores para ingresar las 5

velocidades en RPM que desea configurar en orden según la receta (Ver Tabla 2). Estos

5 espacios son de tipo lista desplegable lo que significa que se elige entre los valores de

la lista, que en este caso son 8 velocidades distintas en RPM; 200, 250, 500, 750, 850,

1100, 1200 y 1500, esta ventana también cuenta con 10 espacios para la respectiva

digitación de los tiempos de agitación. En cada etapa el usuario deberá indicar el tiempo

en horas y minutos que el agitador mantendrá la velocidad configurada para esa etapa.

En la parte derecha de la ventana el usuario contara con los botones de control de marcha

y parada del ciclo, al igual que las balizas digitales verde y roja que indicaran los estados

marcha o paro del ciclo, también con la imagen del agitador en configuración. Las figuras

35, 36 y 37 muestran claramente las ventanas de configuración de los Agitadores 1, 2 y

4.


65

Figura 35. Ventana de configuración del agitador 1.

Figura 36. Ventana de configuración del agitador 2.


66

Figura 37. Ventana de configuración agitador 4.

Al oprimir el botón de información, ubicado dentro del panel de navegación, se

activa la ventana de información general (ver figura 38), en la cual el usuario tendrá

acceso a la información del proceso, se muestran los 4 agitadores distribuidos

verticalmente en la parte izquierda de la interfaz y a su derecha la respectiva información

de cada uno, se presentan datos como el tiempo transcurrido en horas, minutos y

segundos, la etapa actual en la que se encuentra el ciclo, y la velocidad a la que se

encuentra el motor en dicha etapa. En la Figura 38 se muestra la ventana de información.


67

Figura 38. Ventana de Información.

Cabe resaltar que las ventanas de configuración serán similares para los 4

agitadores solo cambiará el título de la ventana y el fondo de esta, los dos ítems alusivos

al agitador seleccionado. También, cabe anotar, que el panel de navegación estará

presente en todas las ventanas de la interfaz ya que es una forma de optimizar la

usabilidad del programa.

3.2.Selección de Tecnologías

Una vez se ha terminado el proceso de diseño es importante caracterizar las

tecnologías que se usarán en el sistema de forma tal que se pueda acoplar ese diseño a

dicha selección de tecnologías.


68

Figura 39. Placa de uno de los motores de la empresa Sun Chemical de la marca Siemens

3.2.1. Motor Siemens Alta Eficiencia IE2

Se comienza, al igual que como se empezó con la parte de diseño, con el motor.

Ya se ha mencionado que el motor, o bien, los motores, ya los tiene la empresa, entonces

no hubo necesidad de sugerir algún motor, por lo que simplemente se caracterizaron los

4 motores en uno solo dado que lo único que cambia entre motor y motor es la potencia,

sin embargo, la forma de conexión y la velocidad nominal y otras características son

iguales. La Figura 39 muestra una imagen real de uno de los motores con los que cuenta

la empresa, para el proceso de agitación.

La Figura 39 muestra una placa de motor de uno de los motores de la empresa

Sun Chemical. Se logra ver que es un motor trifásico de alta eficiencia IE2 según la norma

IEC apto para trabajar en temperaturas desde los 40ºC hasta los 80ºC, es decir,

aislamiento clase F. Un motor con alimentación a 460V y 47 amperios de consumo

nominal, 40 Caballos de Potencia (CP) o 29.84 KW, 60Hz y por supuesto 1770 𝑚𝑖𝑛−1 o

1770RPM, lo que dice que es un motor de 4 Polos con Velocidad Nominal Teórica de

1800RPM.


69

3.2.2. Variador de Velocidad Sinamics G120C

El sistema que se va a encargar de mover el motor, o de suministrarle el voltaje y

la corriente necesarios para que se mueva es un variador de velocidad. Dentro de esta

selección se tuvieron en cuenta algunas referencias de otras marcas teniendo en cuenta

que la marca sugerida por la empresa para seleccionar las tecnologías es Siemens. Otro

de los criterios importantes a la hora de seleccionar un variador de velocidad será el

precio final de compra, de manera tal que se cumplan con los requerimientos del proceso,

pero también con un estimado de precios buscando una sinergia, entre Costo Vs

Beneficio.

La Tabla 4 muestra la selección de variador de velocidad.

Tabla 4. Tabla de Selección del Variador de Velocidad G120C

Siempre es bueno, de acuerdo a recomendaciones de los ingenieros de la

empresa, que cuentan con experiencia industrial, seleccionar un variador inicialmente por

la corriente nominal del motor que van a mover, eso deja entre dicho la potencia del

motor, y el voltaje de alimentación. Seguido de eso, es importante aclarar, que, según

recomendaciones, siempre es mejor seleccionar un variador de velocidad que maneje

potencias almenos 15Hp por encima de la potencia nominal del motor. Este caso se da

para motores con potencias superiores a 30Hp y que, además, estén encendidos

ininterrumpidamente durante un largo periodo de tiempo.

Marca Referencia Corriente Nominal Potencia Voltaje de Alimentación Control Precio Disponibilidad Conectividad Protección Proveedores

Siemens G120 90 A 60 Hp 400 - 480V V/f $ 4.911.626 4 a 6 Semanas RS485, Profibus DP IP20 Kamati, AIS

Siemens G120C 85,8 A 60 Hp 400 - 480V VT, CT, V/f $ 4.924.027 4 a 6 Semanas Todos IP20 Elevalle, Kinne

ABB ACS550 87,5 A 60 Hp 400 - 500 V CT $ 5.550.625 7 a 10 días RS485 IP21 Imsel, Colseim

ABB ACS850 80 A 55 Hp 400 - 500 V CT, VT, V/f $ 5.998.674 7 a 10 días RS 485 IP21 Equipelco, InterE

Danfoss FC300 82,4 A 60 Hp 380 - 500 V CT $ 5.485.687 3 a 4 Semanas Profibus IP20 Sumilec

Danfoss Vacon 100 92,6 A 60 Hp 380 - 500 V CT, VT, V/f $ 9.125.623 Inmediata Profibus IP55 Seterfer

Schneider ATV71HD 85 A 58 Hp 380 - 480 V CT $ 8.401.203 5 a 6 Semanas RS485 IP20 Imsel, Melexa

SELECCIÓN VARIADOR DE FRECUENCIA - 40 Hp Trifásico, 460V, 47 A, VT


70

El variador seleccionado, como se logra ver en la Tabla 4 es el Sinamics G120C,

que cuenta con los requerimientos técnicos suficientes para la aplicación. Además,

cuenta con Torque Variable VT, Torque Constante CT y Control Voltaje Frecuencia V/f,

además de contar con interfaces Profibus, Modbus y Ethernet. Otro criterio importante a

la hora de seleccionarlo es que es de la marca Siemens, sin olvidar el precio de compra

que es muy provechoso con respecto a las otras marcas.

La Figura 40 muestra físicamente el variador Sinamics G210C a utilizar en el

proceso.

Figura 40. Sinamics G120C en sus tres versiones más destacadas.

La Figura 40 muestra físicamente la forma del variador Sinamics G120C en

sus 3 versiones más destacadas. La primera (G120C) es la imagen del variador sin HMI

configurable desde software Simotion o desde TIA Portal V12.0 en Adelante, la segunda

versión (G120C + BOP) ya cuenta con una HMI o BOP (Panel de Operación Básico) y

esto hace posible configurar y/o parametrizar el variador en Campo sin utilizar ningún

programa alterno. Seguidamente se encuentra el G120C + IOP o Panel de Operación

Intermedio que es el mismo panel que el BOP sólo que ya cuenta con mayor definición

en la pantalla y con un potenciómetro para simular la entrada análoga.


71

Marca Referencia Comunicación Precio Almacenamiento INPUTS - OUTPUTS Disponibilidad Protección Proveedores

Siemens S7-1200 Profibus $ 1.300.000 256Mb 8 DI, 6 DO, 2AI Inmediata IP 20 Kamati, AIS

Schneider Modicon M241 Profibus $ 2.200.000 256Mb 2 DI, 2 DO, 2AI 5 a 8 Semanas IP 21 Melexa

ABB AC500 Profibus, Modbus $ 1.800.000 64Mb N/A Inmediata IP 55 Equipelco

ESCOGENCIA DEL PLC DE ACUERDO AL VARIADOR

Tabla 5. Selección del PLC S7-1200

3.2.3. PLC Simatic S7-1200

El sistema que se va a encargar de controlar y comandar las salidas digitales

para luego ser conectadas a las entradas digitales del variador de velocidad es el PLC, y

este también se encargara de temporizar y permitir la interfaz entre la visualización y la

maniobra. Es sumamente importante este equipo en el actual sistema porque sin él será

imposible comandar las entradas digitales del variador de velocidad y temporizar dichas

acciones, sin olvidar que, es el sistema de control presente para establecer la conexión

entre la HMI y la maniobra del proceso.

La Tabla 5 muestra la selección de tecnologías referente al PLC en donde

aparecen otras marcas y unas especificaciones de los equipos requeridas para dicha

aplicación.

Se logra ver en la tabla 5 que se cuenta con 3 marcas postulantes para el proceso

de selección de tecnologías, y siguiendo la sugerencia de la empresa Sun Chemical por

escoger tecnología Siemens, se ha escogido el PLC Simatic S7-1200. Es un dispositivo

de bajo costo y alto rendimiento, de última generación, con módulos de entradas y salidas

digitales incluido y 2 entradas análogas. El PLC de la marca Siemens tiene una memoria

interna de gran alcance y por supuesto, una disponibilidad inmediata.

Es claro confirmar el hecho de que hay algunos S7-1200 que cuentan con interfaz

Profibus y otros con Ethernet o Profinet los cuales no tienen diferencia en precios y será

mucho más sencillo contar con un S7-1200 con Interfaz ethernet para facilitar el trabajo

a la hora de conectarlo en red con otros dispositivos pertenecientes al sistema. La Figura

41 que muestra la forma física del PLC S7-1200.


72

Figura 41. PLC Simatic S7-1200 de la Marca Siemens.

Es válido aclarar que hay distintas CPU del PLC y se recomienda utilizar la 1214C

AC/DC/Rly que cuenta con alimentación de Alterna (AC) o por fuente de DC y cuenta con

protección de salidas mediante Relé (Rly) lo que permite seleccionar la fuente de

alimentación además de contar con protección o aislamiento galvánico que va a proteger

las conexiones desde el PLC hasta el Variador de Velocidad sin tener protección

intermedia también, mediante Relé. La escogencia del PLC también depende de la

extensión final de Entradas y Salidas Físicas necesarias, porque a partir de conocer la

cantidad de entradas y salidas físicas necesarias (Ver Tabla 1) se decide el PLC y los

módulos de expansión de entradas y/o salidas análogas y/o digitales si así se requiere.

3.2.4. Interfaz Hombre Máquina KTP-600

Finalmente se hace la selección de la Interfaz Hombre Máquina también siguiendo

la sugerencia de la empresa porque sea de la marca Siemens. La marca Siemens cuenta

con un portafolio muy amplio en automatización a diferencia de otras marcas como

Rockwell o Schneider. Dentro de ese portafolio aparecen las herramientas de

visualización y control para realizar sistemas SCADA o simplemente HMI. A continuación,

un abanico de posibilidades que se tuvo en cuenta a la hora de seleccionar la pantalla

para este proceso.


73

Figura 1. Tabla de Selección para la HMI

Tabla 6. Selección de la HMI KTP600

La Tabla 6 muestra claramente la selección de la HMI teniendo en cuenta, que, de

acuerdo con recomendaciones de ingenieros de proyectos de la empresa, si se trabaja

con un PLC de la marca X es bueno, aunque no es Camisa de Fuerza, escoger una HMI

de la marca X. Para este caso, se ha escogido un PLC Simatic S7-1200 con CPU 1214C

Ac/DC/Rly de la marca Siemens, y como se logra ver en la Tabla 6, se ha puesto especial

claridad en la selección de una pantalla de la marca Siemens también. Se recuerda que

se tiene en cuenta que los elementos participantes en el proceso tengan la posibilidad de

conectarse mediante Ethernet, para el caso de Siemens se conectan mediante Profinet

(PNET) que es Profibus montando sobre Ethernet con el conector genérico RJ45.

También, se tiene en cuenta, el tamaño de la pantalla, de forma que sea fácil visualizar

lo que se va a programar. De acuerdo con recomendaciones del ingeniero de proyectos

de la empresa, una pantalla de menos de 4” es demasiado pequeña para visualizar al

detalle los elementos del HMI. Por eso, a pesar de que 4” es un buen tamaño, se planeó

hacer que fuera un poco más grande, es decir, de 6” para que fuera mucho más fácil y

más dinámica la visualización. La Figura 42 describe la forma física de la HMI

seleccionada para el actual proceso.


74

La Figura 42 muestra claramente la forma física de la pantalla Simatic HMI

KTP600 de la marca Siemens. KTP son las palabras para designar Komfort Touch Panel

con todas sus referencias a color y programables usando el TIA Portal V11.0 en adelante

o el WinCC Flexible 2008 SP1 o SP2.

Como una conclusión de los elementos con los que se va a trabajar se describe

finalmente, los equipos y sus marcas. Motores Alta Eficiencia IE2 de la marca Siemens,

Variador de Velocidad Sinamics G120C de la marca Siemens, PLC Simatic S7-1200 con

CPU 1214C AC/DC/Rly de la marca Siemens y Simatic HMI KTP600 de la marca

Siemens. Para dicho proceso de implementación, del cual se hablará en el siguiente

capítulo, se tomará en cuenta el software adecuado y para tal fin se trabajará con el TIA

Portal V13.0 Profesional donde están integrados todos los elementos que ya se

mencionaron anteriormente evitando comprar softwares adicionales lo que incurriría en

licencias de software adicionales y eso aumentaría la inversión por parte de la empresa

o por parte de los integrantes del grupo de trabajo.

Figura 42. Forma Física de la Simatic HMI KTP600.


75

4. IMPLEMENTACIÓN DE LA SOLUCIÓN ELECTRÓNICA

Ya se habló de las entradas del sistema y es importante ahora hablar de las salidas

del sistema o de las acciones asociadas. Cada estado tiene una acción asociada. Es

importante que queden escritas en el GRAFCET, pero debido al gran tamaño de dicho

Grafo, es complejo escribirlo dentro de sí por lo que se explica mejor de forma escrita. En

cada estado es importante primero controlar el estado del bit de arranque del variador de

velocidad, recordando que si el valor de Bit es 1 el variador Si arranca, pero si el valor

del Bit es 0 el variador No arranca. Lo anterior induce el hecho de que en los estados del

1 al 40 el Bit de Arranque debe tener el Valor de 1 y en los demás el valor del Bit debe

ser 0.

Entendiendo el asunto del Bit de Arranque ahora es importante contar con la

combinación binaria de las velocidades que son 8 entonces serían 3 bits de velocidad.

La Tabla 7 muestra claramente la combinación binaria de las salidas digitales del

PLC de acuerdo a la velocidad seleccionada por el operario en la HMI.

Velocidades en Rpm

Combinación Binaria de Velocidades

Speed 3 Speed 2 Speed 1

200 0 0 0

250 0 0 1

500 0 1 0

750 0 1 1

850 1 0 0

1100 1 0 1

1200 1 1 0

1500 1 1 1 Tabla 7. Combinación Binaria de las Salidas Digitales de las Velocidades.


76

Lo anterior se traduce en asignar 3 salidas digitales físicas del PLC (Speed 0, 1 y

2), que se conectarán al Variador de Velocidad con las velocidades de acuerdo a la Tabla

7.

Es importante hacer la aclaración de cuales estados deben encender

determinadas bobinas de la velocidad (Speed 1, Speed 2 o Speed 3). Por ejemplo, la

bobina Speed1 se debe encender en los estados para los que la velocidad asociada sea

tal que el valor de Speed1 sea 1. Esto quiere decir que se encenderá en los estados para

los que la velocidad asociada sea 250, 750, 1100 y 1500.

La Tabla 8 muestra más claramente la relación de velocidades y los estados

asociados a dichas velocidades.

Velocidades en Rpm

Combinación Binaria de las Salidas Digitales de la Velocidad

Estados Estados Estados

200 N/A N/A N/A

250 N/A N/A 2, 10, 18, 26,

34

500 N/A 3, 11, 19, 27,

35 N/A

750 N/A 4, 12, 20, 28,

36 4, 12, 20, 28,

36

850 5, 13, 21, 29,

37 N/A N/A

1100 6, 14, 22, 30,

38 N/A

6, 14, 22, 30, 38

1200 7, 15, 23, 31,

39 7, 15, 23, 31,

39 N/A

1500 8, 16, 24, 32,

40 8, 16, 24, 32,

40 8, 16, 24, 32,

40 Tabla 8. Relación de las Velocidades presentes en cada Estado

La Tabla 9 muestra más claramente la combinación binaria de las salidas digitales

de la velocidad de acuerdo al estado en el que se debe encender la respectiva bobina de

la velocidad. Se debe aclarar la restricción sobre las entradas y salidas en un PLC.


77

Un contacto asociado, o una entrada se pueden repetir las veces que sean

necesarias, pero una marca o una salida sólo se puede repetir una sola vez durante todo

el programa.

Velocidades en Rpm

Combinación Binaria de las salidas digitales de la velocidad

Speed 3

Estados Speed

2 Estados

Speed 1

Estados

200 0 N/A 0 N/A 0 N/A

250 0 N/A 0 N/A 1 2, 10, 18, 26, 34

500 0 N/A 1 3, 11, 19, 27, 35 0 N/A

750 0 N/A 1 4, 12, 20, 28, 36 1 4, 12, 20, 28, 36

850 1 5, 13, 21, 29, 37 0 N/A 0 N/A

1100 1 6, 14, 22, 30, 38 0 N/A 1 6, 14, 22, 30, 38

1200 1 7, 15, 23, 31, 39 1 7, 15, 23, 31, 39 0 N/A

1500 1 8, 16, 24, 32, 40 1 8, 16, 24, 32, 40 1 8, 16, 24, 32, 40 Tabla 9. Matriz de Combinación Binaria de las salidas digitales de la velocidad y la acción asociada a los estados

Lo anterior debe tenerse en cuenta a la hora de escribir el código en el programa

del PLC, para no tener fallos en el sistema y que el variador pueda mover el motor de

acuerdo con las velocidades seleccionadas por el operario.

Posterior al diseño que se tuvo en cuenta en el capítulo anterior, se procede con

la implementación de dicho diseño. Dicha implementación se basa no solamente en

escribir el programa del GRAFCET en lenguaje Ladder sino también en ejecutar el

sistema de control que para este caso se hará en el Variador de Velocidad. Para ello,

basta con parametrizar las variables que pide el variador para poder mover el Motor

conectado a él. Unas de esas variables son, por ejemplo, el voltaje, la corriente, la

potencia, la velocidad nominal, la frecuencia mínima de operación, la frecuencia máxima

de operación, rampas de aceleración y desaceleración y por supuesto, los porcentajes

de selección de velocidad de acuerdo con las entradas digitales presentes en el Variador,

o también poder establecer una escalización de una variable análoga presente en la

entrada del Variador.


78

También es importante aclarar que una vez se ejecuten las partes de software se

procede a la parte de hardware del sistema. Luego de haber programado el PLC, la HMI

y haber parametrizado el Variador de Velocidad, se procederá a ejecutar las conexiones

del sistema, eso incluye el enlace entre las salidas digitales del PLC y las entradas

digitales del Variador de Velocidad y también el circuito de potencia o lo que equivale a

conectar el Variador al motor teniendo en cuenta las protecciones necesarias.

4.1.Implementación de Hardware

Este apartado habla exclusivamente del circuito que se va a implementar

incluyendo las herramientas involucradas en el proceso. Dichas herramientas son el PLC,

la HMI, el Variador de Velocidad y el Motor. Básicamente, se expone un circuito o un

Esquema que explique gráficamente las conexiones del sistema automático de

temporización y variación de velocidad. La Figura 43 muestra dicho diseño circuital para

un agitador utilizando el programa CADe SIMU.

Figura 43. Diseño del circuito de conexión para el S7-1200, el variador G120C y la pantalla KTP600 usando el

software CADE SIMU.


79

Respecto a dicha implementación basta sólo conectar y hacer las pruebas, lo cual se

hará específicamente en el siguiente capítulo.

4.2.Implementación de Software

Esta implementación se basa principalmente en los elementos de Software

involucrados en el proceso. Dichos elementos son: El PLC y la HMI. Sin embargo,

también aparece la parametrización del Variador de Velocidad G120C debido a que es

una herramienta de Hardware que necesita de conocimiento del Software a la hora de

implementarlo como sistema de control.

4.2.1. Programación del PLC Simatic S7-1200

Recordando la Figura 24 se tiene un Grafcet a modelar de forma tal que sirva de

plantilla para los 4 agitadores. Tendrá el mismo funcionamiento, sólo van a cambiar las

entradas y las salidas de dicha función. Ese Grafcet muestra el diseño para 1 sólo

agitador, pero debido a que se piensa trabajar con funciones, bastará con replicar ese

mismo diseño, 3 veces y hacer el llamado de la función respectiva en el momento

adecuado para que el funcionamiento de 1 no interrumpa el funcionamiento de los otros

3. Dicho diseño se tuvo en cuenta en la Figura 32.

Antes de escribir el programa en Ladder, se debe tener en cuenta un algoritmo

sencillo para, basándose en el GRAFCET, poder escribir el programa sin tener

problemas. La Figura 44 muestra claramente el algoritmo para dicho proceso.


80

Figura 44. Algoritmo para pasar de GRAFCET a Ladder.

Tiene una estructura similar pero no igual a la que se aprendió en el curso de

automatización visto durante el Pensum del programa de Ingeniería Electrónica de la

Universidad de San Buenaventura Cali. Existe un algoritmo en palabras descrito como

“Un Estado n se activa con un estado anterior n-1 y una condición de transición. Dicho

estado se activa con una marca y se enclava con el contacto asociado a dicha marca.

Así, el estado se desactivará con un estado siguiente n+1 diferente al estado anterior n-

1”. La siguiente imagen muestra claramente lo explicado anteriormente que fue aprendido

en el curso de automatización. La Figura 45 expone lo anteriormente mencionado.


81

Figura 44. Algoritmo de transferencia de Grafcet a Ladder.

Entendiendo eso, se procede entonces con la escritura del programa en el

lenguaje Ladder, utilizando el entorno de desarrollo integrado de Siemens llamado Step

7 TIA Portal. Para este caso se utilizará el TIA Portal V13 el cual ya tiene incluido dentro

de su portafolio de Hardware y Software el PLC S7-1200. Es válido aclarar que se podría

utilizar alguna versión anterior, pero en esta versión es donde, además, están incluidos

otros elementos como la Pantalla de referencia KTP-600 y otras herramientas.

Es de suma importancia entender el funcionamiento de este programa y la forma

de programar para no tener inconvenientes a la hora de implementar el diseño. Para

explicar eso, se tuvo en cuenta muchos tutoriales en internet de forma que le sirvieran al

equipo de trabajo como base para no estar perdidos en el momento de programar.

Lo primero es tener el software y la licencia. Una vez se cuente con ello será crear

un nuevo proyecto e ir agregando los dispositivos con que se cuenta. Para este caso, se

cuenta con un PLC S7-1200 de CPU 1214C AC/DC/Rly y una pantalla KTP-600 que son

dos de las herramientas que se utilizarán en el proceso.


82

Figura 45. Ruta para agregar el dispositivo S7-1200 en el TIA Portal

Siguiendo lo anterior, el primer dispositivo que se debe agregar al proyecto creado

en el TIA Portal es la CPU 1214C AC/DC/Rly del PLC y por lo general la versión del

firmware es una sola, pero esta vez, y para el caso específico de la CPU nombrada, se

cuenta con dos versiones de Firmware. Se elige entonces la versión más anterior. La

Figura 46 muestra la forma de agregar el dispositivo en el TIA Portal.

La Figura 46 muestra resalta la ventana principal del TIA Portal a la hora de

iniciarlo. Están demarcadas las casillas que se deben seleccionar para agregar el PLC o

cualquiera de los elementos participantes en el proyecto. Se pueden escoger entre

Controladores, HMI, Sistemas PC y Accionamientos. El catálogo de Hardware de los

controladores incluye el S7-1200, el S7-1500 y el S7-300 con sus distintas CPU.


83

Se hace aclaración de seleccionar, por lo general la versión de firmware más

antigua, debido a que la marca siemens no hace actualizaciones de su catálogo a no ser

que se solicite formalmente por parte del cliente. Sin embargo, y si se encuentra con un

PLC que tenga una versión de Firmware diferente a la seleccionada, pues esto se

conocerá a la hora de compilar y enviar el programa a la CPU y se deberá cambiar la

versión. Siempre, con alguna de las posibles, que por lo general son 2 versiones, el PLC

funcionará.

Paso seguido, se cambia a la vista del proyecto en donde aparecen las ventanas

más importantes donde se trabajará principalmente, a partir de este momento. En dicha

ventana aparecen: El árbol de proyecto, La ventana de escritura y El árbol de

instrucciones. El árbol de proyecto ubicado en la parte izquierda de la pantalla es donde

aparecen todos los dispositivos agregados al proyecto y los contenidos de cada

dispositivo como el Programa, la tabla de variables, entre otros. La ventana de escritura

es la ventana central que se despliega una vez se selecciona algún elemento del árbol

de proyecto, por ejemplo, es la ventana que se despliega una vez se quiere escribir el

código en lenguaje Ladder. Y finalmente, el árbol de instrucciones es la ventana del lado

izquierdo de la pantalla donde aparecen las herramientas de programación necesarias

para escritura del código como los contactos, las marcas, los contadores, los

temporizadores, entre otros. La Figura 47 muestra La Vista de Proyecto segmentada por

cada una de las 3 partes explicadas anteriormente.


84

Figura 46. Ventana del TIA Portal segmentada en 3

Luego de conocer la vista de proyecto se procede, inicialmente a configurar el PLC.

La configuración se compone de elegir la interfaz con la que se va a trabajar. Para este

caso se trabajará con una interfaz Ethernet incluida en el S7-1200, eso incluye también

configurar la dirección IP de dicha interfaz. Se debe configurar también el uso de las

marcas de ciclo de la CPU que le sirven para elegir marcas especiales como relojes

sincrónicos y marcas Normalmente Abierta y Normalmente Cerrada, en adelante NA y

NC, respectivamente. También será importante verificar la protección con la que se

cuenta de forma tal que el acceso al PLC desde la HMI pueda ser tanto de lectura como

de escritura. La Figura 48 muestra los puntos a configurar mencionados anteriormente.


85

Figura 47. Configuración del dispositivo S7-1200 en el TIA Portal

Se logra ver la configuración de la interfaz Profinet, pero una vez se va

seleccionando alguno de los ítems de la lista, van apareciendo en la Ventana de Escritura.

El arranque debe ser en Caliente – RUN para que el sistema arranque siempre en modo

RUN. Se deben seleccionar las marcas del sistema y ciclos a utilizar, así como, en la

pestaña protección, seleccionar “Permitir acceso vía comunicación PUT/GET del

interlocutor remoto”. Esto va a permitir que se trabaje con dispositivos remotos como HMI

y es sumamente importante seleccionarlo para el presente trabajo.

Posterior a tener configurado el PLC por completo, se procede a escribir en la

Tabla de Variables. La tabla de variables es importante a la hora de escribir el programa

en lenguaje Ladder debido a que cada espacio de memoria debe tener una dirección

simbólica que tenga significado para el programador. Por ejemplo, la dirección de

memoria de tipo Bit M10.0 puede tener la dirección simbólica “Estado 0” y la M10.1 puede

tener la dirección simbólica “Estado 1” y así sucesivamente. Esto se hace en la Tabla de

Variables Figura 49 muestra la ruta para encontrar la Tabla de Variables en el PLLC S7-

1200 en TIA Portal.


86

Figura 48. Ruta para encontrar la Tabla de Variables del S7-1200

en el TIA Portal

Una vez se encuentre la Tabla de Variables del PLC se procede a escribir dentro

de dicha tabla teniendo en cuenta los tipos de variables y de acuerdo con eso, el espacio

de memoria necesario para guardar dicha variable. Por ejemplo, si es un Bit habrá que

seleccionar una Marca tipo Byte y marcar cuál dirección de ese byte se quiere usar para

guardar. Por ejemplo, el Estado 1 puede estar guardado en el Byte 2, el bit 1 así: E0 =

M2.1. La Figura 50 muestra lo anteriormente explicado.


87

Figura 49. Tabla de Variables del S7-1200

Las direcciones en esta Tabla de Variables del árbol de proyecto son Variables

Globales y por ende pueden ser usadas en cualquier parte del programa

Debido a que se ha pensado en programar el diseño usando funciones que serán

llamadas en cualquier momento del programa principal, es importante crear dichas

funciones dentro de los bloques adecuados en el árbol del proyecto y así poder seguir a

programarlas. En Siemens existen 4 tipos de Bloque que se deben conocer para

continuar con el proyecto. Esos 4 tipos de Bloque son: Bloque de Organización (OB),

Bloque de Función (FB), Código de Función (FC) y Bloques de Datos (DB). El Bloque de

Organización OB es sumamente importante porque es lo mínimo que debe existir para

escribir el programa.


88

Figura 50. Manera de crear FBs en el TIA Portal

Por ejemplo, el OB1 es el conocido Main o Programa Principal y existen muchos

OB reservados en el programa como el OB100 que es un Bloque para reinicio que se

ejecuta una sola vez luego de que la CPU pasa de Modo Stop a Run. El Código de

Función FC es un espacio numerado ordinal y automáticamente por el programa, es decir

que no existen FC reservados, por eso se numeran de acuerdo a como los agregue el

programador. Algo importante de los FC es que son Códigos que no guardan memoria

de las acciones y una vez la función termina su ejecución todo lo que esté dentro de la

FC vuelve a su estado normal. Algo diferente pasa con los Bloques de Función FB que

son funciones que si guardan memoria y una vez termina la ejecución de dicho FB todo

se guarda y para eso, cada FB tiene asociado un Bloque de Datos DB en donde se guarda

dicha memoria. Los FB también se numeran ordinal y automáticamente por el programa

de acuerdo a como los agregue el usuario y debido a que cada FB tiene asociado un DB,

el número del FB será el mismo del DB. Por ejemplo, un FB llamado Agitador 1 FB1, tiene

asociado un Agitador 1 DB1. Este sistema utilizará FB debido la capacidad de almacenar

en memoria. La Figura 51 muestra la manera de crear los FB dentro del árbol del

proyecto.


89

Figura 51. FB Creados y DB

Asociados a cada FB

Es válido aclarar que los FB y los DB los puede crear el programador por separado,

pero si se crea un FB, para que funcione, se debe asociar a un DB y este proceso se

realiza automáticamente cuando se hace el llamado del FB en el programa principal OB1.

La Figura 52 muestra los FB creados por el programador y los DB asociados a cada FB.

Debido a que son 4 agitadores, se piensa que serían 4 funciones FB en el programa y

claramente 4 DB creados debido a la llamada de los FB en el programa principal.

Una vez se tienen los 4 FB se procede a programar uno de ellos de forma tal que

cuando se programe uno sólo, bastará con replicarlo 3 veces para completar 4 FB

completos. Cada FB tiene una Tabla de Variables que tiene significado únicamente para

la función pero que es sumamente importante que exista dicha tabla. Esa tabla debe

contener las entradas y las salidas de la función, así como las variables Estáticas que

sólo pueden ser usadas en la función. De hecho, si existen 1000 funciones en el

programa, cada función puede tener una entrada llamada, por ejemplo, INPUT de tipo Bit

sin que el funcionamiento de una altere a las otras.


90

Estas variables estáticas, se busca que tengan nombres diferentes a las variables

globales para que no haya interferencias. Cada variable debe tener un tipo de dato

asociado correspondiente al sentido del programa. Por ejemplo, los Estados del

programa se nombran simbólicamente de tipo Bit dado que un Estado “Se activa o se

desactiva”, es decir que puede tener 2 estados y esto se simboliza con un Bit. La Figura

53 muestra claramente las direcciones simbólicas de los estados dentro del FB.

Figura 52. Tabla de Variables dentro de un FB para un sólo Agitador.

Cuando se ha terminado con la tabla de variables de la función FB se comienza a

programar teniendo en cuenta el algoritmo de paso de Grafcet a Ladder (Ver Figura 43).

La Figura 54 muestra el resultado parcial de programación de los Estados y sus acciones.


91

Figura 53. Resultado Parcial de Programación de los Estados en KOP

Hay algo de suma importancia y es la escogencia del XmVn adecuado, y para ello

se estableció una comparación real de velocidades que se hace en todas las funciones y

dependiendo de la velocidad ingresada por el operario en la HMI, activará una marca

asociada a esa comparación. La activación de esa señal XmVn depende única y

exclusivamente de dicha comparación.


92

Figura 54. Comparación Real de las velocidades para activar un XmVn

La Figura 55 muestra la programación la comparación de velocidades en KOP y

funciona igual para todas las velocidades y todas las funciones.


93

Se logra entonces ver que, si la Velocidad 1 digitada por el usuario en la HMI es

200 Rpm, se activará únicamente el bloque del segmento 49 (Ver Figura 55) y por ende

se activará la señal X1V1, y debido a que la comparación no depende de nada, es decir,

siempre está activa, dicha marca estará activa Siempre

La Variable Global que ingresa a la Variable Estática #Vel1 proviene de la HMI. El

operario tiene 2 solicitudes por parte del Sistema: 5 Velocidades y 5 Tiempos uno y uno

para cada etapa, sin ellos, el programa no funciona. Las Velocidades digitadas en la HMI

se cargan en variables de tipo Real llamadas así: VnAgx; V para denotar Velocidad y n

para marcar la etapa en la que está asignada. Por otro lado, Ag para denotar Agitador y

x para marcar a cuál de los 4 Agitadores asignarle dicha variable. Por Ejemplo, una receta

le ordena al operario que digite 500, 850, 1200, 1500 y 200 RPM para el agitador 1, dichos

valores se cargan en V1Ag1, V2Ag1, V3Ag1, V4Ag1 y V5Ag1 respectivamente, siendo el

subíndice de V, la etapa a la que se asignará dicha velocidad. Por su parte, los tiempos

llevan el mismo nombre, cambiando V por T así: TnAgx. T para denotar Tiempo, n para

marcar la etapa a la que se asigna dicho tiempo y ocurre lo mismo que Agx. Por ejemplo,

el operario debe asignar para las etapas 1, 2, 3, 4 y 5 los siguientes tiempos: 1 hora, 1

hora y media, 4 Horas, 30 Minutos y 3 minutos. Dichas variables se cargan en T1Ag1,

T2Ag1, T3Ag1, T4Ag1 y T5Ag1 Respectivamente.

Hay que tener en cuenta que luego de terminar de programar la lógica de los

Estados, se procede con la lógica de las Acciones Asociadas a cada Estado. Existen 5

Temporizadores para cada FB y por eso se deben programar dichos temporizadores

seleccionándolos desde el árbol de herramientas de la vista del proyecto. En

programación de PLC existen temporizadores TON y TOFF. El TON es un Temporizador

a la Conexión, lo que quiere decir que una vez se cumpla el Temporizador activa una

salida Q. El TOFF es un Temporizador a la Desconexión, lo que quiere decir que una vez

se cumpla el Temporizador desactiva una salida Q.


94

Existen algunos PLC que cuenta con temporizadores TONR que son

Temporizadores a la Conexión con Memoria, es decir, Pausables, de forma tal que si la

entrada de activación del temporizador tiene valor “1” el temporizador cuenta hasta un

valor cargado y el valor de la entrada de activación es “0” el temporizador guarda el valor

transcurrido hasta que el valor de la entrada de activación vuelva a ser “1”. La Figura 56

muestra claramente la aparición de los temporizadores en el árbol de instrucciones.

Figura 55. Ruta para encontrar los Temporizadores en el Árbol de Instrucciones

Los temporizadores de Siemens incluidos dentro del Entorno TIA Portal son

Software y por ende tienen asociado un DB para guardar el estado de dicha cuenta. Por

ende, debido a que cada Función de Agitador FB tiene 5 Temporizadores, deben existir

5 Temporizadores Diferentes para cada FB. La Figura 57 muestra el elemento

Temporizador TON y su esquema de conexiones necesarios para que funcione.


95

Figura 56. Temporizador TON en la Ventana de Escritura.

El temporizador TON, así como el TOFF necesitan 3 cosas: Una Activación en la

posición donde marca “IN”, un tiempo de configuración en el espacio “PT” y un espacio

de memoria donde guardar el Tiempo Transcurrido en el espacio “ET”. Las variables PT

y ET son de tipo Time. La variable PT se debe escribir en Formato “S5 Time” que consta

de un número seguido de un prefijo para Segundos (S), Minutos (M) o Horas (H). La

Figura 57 muestra que el temporizador llamado “IEC Timer 0 DB” tiene cargado el Valor

igual a 10S en el espacio PT. Los temporizadores tienen dos situaciones: Temporiza sólo

si la variable IN tiene valor de “1” Lógico, y Activa una Marca Asociada cualquiera, para

el caso de la Figura 57 T1, cuando se cumple el tiempo Configurado en PT.


96

Figura 57. KOP de uno de los Estados Auxiliares para una función.

Como se ha visto en la Figura 54, cualquiera de los estados se trata como si fuera

una salida, pero se asocia a una marca de manera automática. Por ejemplo, si el Estado

0 se agregara a la Tabla de Variables del PLC como variable Global habrá que

seleccionar el nombre, el tipo de dato y la dirección de memoria tipo Bit a utilizar. Pero si

el mismo Estado se programa dentro de una Función, bastará con asignarle un tipo de

dato y TIA Portal automáticamente ubicará en una dirección de memoria aleatoria. Por

eso la Figura 58 muestra la manera de programar uno de los estados auxiliares.

Casi para terminar se agregan las acciones asociadas al programa teniendo

cuidado de activar las marcas con los estados apropiados, y se llaman las funciones FB

dentro del OB1 (Main) para crear automáticamente el DB asociado a esa Función FB. La

Figura 59 muestra claramente las acciones asociadas para los primeros 8 estados

equivalentes a la primera etapa.


97

Figura 58. Acciones Asociadas para la primera etapa del programa

Antes de terminar se debe tener extremo cuidado en los tiempos que ingresan a

los temporizadores del PLC, debido a que probablemente las pruebas habrá que hacerlas

con segundos, y de hecho el tiempo PT entra como una variable Time Real que se

configura en Segundos, de manera tal que si se quiere programar una (1) hora en el PT

habrá que enviar 3600 Segundo, y no es cómodo, por lo que se hace una escalización

en la HMI (será explicado más adelante) y se suman dos variables tipo Time: Horas y

Minutos para obtener el tiempo total e ingresar dicho valor en el PT del temporizador

correspondiente. Dicho valor se tiene en cuenta a la hora de agregarlo en el PT de

determinado Temporizador, y por supuesto también se debe establecer otro algoritmo,

esta vez, solo de visualización para devolverle a la HMI el tiempo transcurrido en total de

cada agitador. La figura 60 muestra dicho segmento que se encargará de sumar los

tiempos y enviar sólo uno.


98

Figura 59. Suma de todos los tiempos para visualización.

Figura 60. Algoritmo de conversión de Time a Segundos, Minutos y Horas

implementado en TIA Portal

Antes de enviar dichos tiempos a la HMI, hay que “decodificarlo”. Quiere decir, que

como aún sigue en formato Time, la HMI no permite la visualización de dicho tiempo

adecuadamente. Por ejemplo, si han pasado 60 Minutos, en realidad se desea ver una

hora, pero el programa seguirá mostrando minutos. Para ello, se establece un algoritmo

de conversión entre Time y Real, que permite extraer los Segundos, Minutos y Horas de

esa única variable “TRANS TOTAL AGx” (Ver figura 60). El algoritmo establece una

División Dint entre mil para obtener los segundos, una división modulo 60 para obtener

los minutos, y un contador de pulsos para obtener las horas. La figura 61 muestra

claramente la implementación de dicho algoritmo.


99

Finalmente se copia un FB en el otro, y se crean DB para cada FB llamándolos en

el Main de manera que quedan por separado. Es importante que cada FB, a pesar de

haber sido replicado, no puede tener un Temporizador igual que el otro, recordando que

los temporizadores también tienen asociado un DB y si se irrespeta esta regla, el

programa no funcionará debido a que TIA Portal no sabe en cual de todos los DB escribir.

La Figura 62 muestra claramente el final de la programación en el árbol del proyecto,

mostrando cada Agitador (FB) por aparte con cada DB asociado, el FB para la suma de

los tiempos provenientes de la HMI y el FB para el algoritmo de conversión de Time a

Segundos, Minutos y Horas proveniente del PLC con dirección a la HMI, cada uno con

su respectivo DB asociado.

Figura 61. Resultado Final de programación de los Bloques organizados en el árbol de Proyecto


100

Para terminar, se muestran dos de los bloques FB llamados en el OB1 (Main)

funcionando y con sus respectivas entradas y salidas haciendo la aclaración de que cada

uno funciona por separado, y que, sin importar que tengan los mismos nombres de

variables, funcionarán teniendo cuidado de asignar variables diferentes a las entradas y

salidas de cada uno. En conclusión, los bloques pueden ser los mismos, pero lo que entra

en la función debe ser diferente para respetar el funcionamiento por separado. La Figura

63 muestra claramente dos de los bloques funcionales llamados en el OB1.

Figura 62. Bloques Funcionales creados y llamados el OB1

Cabe aclarar que una vez se hagan modificaciones en un FB que ya fue agregado

al Main, es necesario borrar el DB tanto del Main como del árbol de proyecto, porque de

lo contrario el programa no compilará.

Lo que queda será Programar el PLC desde el Computador, enviar el programa a

la CPU del PLC, y hacer las pruebas necesarias.


101

4.2.2. Parametrización del Variador de Velocidad Sinamics G120C

La parametrización basta con ingresar a unos valores en la pantalla del variador y

cambiarlos de acuerdo a las condiciones de operación del motor. La parametrización

depende más de las características del motor. Para parametrizar el variador G120C se

requiere responder 3 preguntas: Ver Manuel de Usuario del G120C

- ¿Qué Motor está conectado al Variador?

- ¿En qué parte del mundo se va a utilizar el motor?

- ¿Cómo está conectado el Motor?

La tabla 10 muestra los 3 parámetros del variador a configurar.

PARÁMETROS DEL VARIADOR

P100 IEC, NEMA, IEC 60 HZ

P210 TENSIÓN DEL VARIADOR

P211 H. OVLD o L OVLD Tabla 10. Características del Variador de Velocidad

Es importante configurar la manera en la que el Variador trabajará, el parámetro

P100 permite seleccionar la norma bajo la cual se trabajará. La Opción IEC es para

trabajar a 50 Hz y con potencias en KW, la opción NEMA es para trabajar con motores

norma NEMA a 60Hz y con potencia en HP, mientras que la opción IEC 60Hz es para

trabajar con motores IEC con potencias en HP. Por lo general en Colombia, se trabaja

con la Opción IEC 60Hz.

El parámetro P210 es para configurar el Voltaje de Alimentación del Variador. En

pantalla aparecen las opciones 120, 220, 330, 380, 440, 460 y 600 todos los Voltajes en

Ac, para este caso particular se elige 330V. El parámetro P211 es para configurar la carga

con la que se trabajara. Si es Baja Carga (L. OVLD) el Umbral de Corriente para los casos

de Corto Circuito se preconfigura a 110% por encima de la Corriente Nominal del Motor,

pero si es Alta Carga (H. OVLD) el umbral de corriente para dichos casos se preconfigura

para 150% por encima de la Corriente Nominal del Motor, para este caso es válido

seleccionar H. OVLD.


102

Posterior a eso se configuran las características del motor. La Tabla 11 muestra

claramente dichos parámetros.

CARACTERISTICAS DEL MOTOR

P304 TENSIÓN DEL MOTOR

P305 CORRIENTE DEL MOTOR

P307 POTENCIA DEL MOTOR

P310 FRECUENCIA DEL MOTOR

P311 VELOCIDAD NOM. MOTOR Tabla 11. Características del Motor con el que se va a trabajar

Los Parámetros expuestos en la tabla 11 son datos de placa del motor (Ver Figura

39). El parámetro P304 es la Tensión del Motor (380V), el P305 es la Corriente nominal

del motor (47 A), el Parámetro P307 es la Potencia del Motor (40 Hp), el parámetro P310

es la frecuencia del motor (60 Hz) y el parámetro P311 es la Velocidad Nominal del Motor

(1770 RPM).

Dichos datos de la placa del motor son indispensables para que la CPU del

Variador de Velocidad pueda hacer los cálculos respectivos para poder ofrecer el control

de la velocidad. El Variador no sólo es Variador, sino para algunos casos, Controlador.

La Tabla 12 muestra los umbrales mínimo y máximo de velocidades. Es importante

digitarlos en Hz. Muchas de las aplicaciones requieren que la velocidad mínima sea 0Hz

y la máxima sea la frecuencia de alimentación de la red, para este caso 60Hz.

UMBRALES DE VELOCIDAD

P1080 VELOCIDAD MIN. Hz

P1082 VELOCIDAD MAX. Hz Tabla 12. Umbrales mínimo y máximo de Velocidades en Hz

El parámetro P1080 es la velocidad mínima de la aplicación (0 Hz), y el Parámetro

P1082 es la velocidad máxima en Hz (60 Hz). Estos dos valores son importantes porque

son entradas para un algoritmo de cálculo, y para el caso particular de este trabajo, de

acuerdo con estos umbrales, se calcula la velocidad finalmente asignada. La siguiente

ecuación lo muestra claramente.


103

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙 = Velocidad Nominal del Motor ∗ % 𝐴𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑃0971

Los porcentajes configurados en el parámetro P0971 van desde el 0% hasta el

100% y desde la velocidad mínima hasta la máxima. Eso quiere decir, que surge una

asignación de Velocidad RPM Vs Hz. Velocidad Nominal del Motor igual a la frecuencia

del motor (P310 = P311). Finalmente, 1770 RPM se iguala a 60Hz, siendo 0 RPM 0Hz. 0

Hz es 0% y 60 Hz es 100% por lo que los porcentajes intermedios se mueven entre el

parámetro P1080 y P1082 (Ver tabla 12). Por ejemplo, para este caso particular en el

que la velocidad nominal es 1770 RPM, 0% es 0 RPM, 10% es 177Hz, 20% es 344Hz, y

hasta terminar el 100% es 1770 RPM. Se logra ver que dichos porcentajes asignados a

dicha frecuencia cambiarán con respecto al cambio de la velocidad nominal del motor

preconfigurada en el parámetro P311 (Ver tabla 11). Estos porcentajes configurados en

el parámetro P0971 se le asignan a la Combinación Binaria presente en las Entradas

Digitales del Variador de Velocidad. Ver (Tabla 2).

Existe otro parámetro importante a la hora de configurar el variador y ese es el

caso de las rampas de aceleración y desaceleración. Por defecto, están configurados en

5 Segundos, pero la aplicación puede cambiar de acuerdo con los requerimientos del

sistema. Por lo general, una buena rampa de cambios está fijada en 3 Segundos. Eso

hace funcionar al variador de Velocidad como arrancador Suave y evita el desgaste del

motor, aplicando proporcionalmente una corriente hasta llegar a la velocidad requerida

bien sea por entrada análoga o por combinación binaria presente en las entradas digitales

del variador. La Tabla 13 muestra claramente dichos parámetros.

TIEMPOS DE CAMBIO DE VELOCIDAD

P1120 RAMPA DE ACELEREACIÓN

P1121 RAMPA DE DESACELERACIÓN Tabla 13. Rampas de Cambio de Velocidad

Los parámetros P1120 y P1121 se configuran de acuerdo con la aplicación, ya se

dijo que por defecto están en 5 Segundos, pero para esta aplicación se cambian a 3

Segundos cada uno.


104

4.2.3. Implementación de la Interfaz Hombre – Máquina

La referencia de Touch Panel a utilizar en este proyecto es la KTP-600 de

SIEMENS, para poder programar esta pantalla se utiliza el software TIA Portal en este

caso logramos instalar la versión 13.0 y se trabajará sobre ésta.

El primer paso para programar la pantalla es crear un proyecto nuevo en el TIA

Portal, darle un nombre al proyecto y seleccionar la dirección donde se desea guardar,

así como se muestra en la Figura 64.

Figura 63. Creación de proyecto en TIA PORTAL.

Con el proyecto ya creado lo que hicimos fue seleccionar la pantalla con la que

íbamos a trabajar en este caso la KTP600 con referencia 6AV6 647-0AD11-3AX0 que es

la versión con profinet compatible con el PLC S7-1200 que fue el seleccionado para la

implementación del proyecto. Ver la Figura 65.


105

Figura 64. Selección de la pantalla a programar.

Luego de agregar la pantalla KTP-600 procedemos ahora si a implementar el

diseño que ya teníamos de interfaz hombre – máquina, básicamente comenzamos

creando la plantilla, que es la imagen que se repite en todas las ventanas de la interfaz,

como fue claro en el diseño esta plantilla se compone del panel de navegación y la línea

divisoria para los títulos de cada ventana en la parte superior de la misma. Ver Figura

66.


106

Figura 65. Plantilla de la interfaz Hombre-Máquina.

Para realizar la plantilla que muestra la Figura 66, bastó con agregar 3 botones

esos botones se les asignó en el menú de apariencia un color según el diseño y la línea

divisoria para títulos hace parte de las figuras predefinidas del TIA Portal. Una vez creada

la plantilla de la interfaz se deben crear las respectivas ventanas que ésta tendrá, con

sus nombres correspondientes. Ver Figura 67.


107

Figura 66. Agregar ventanas a la Interfaz

Como se logra ver en la Figura 67, existen cinco ventanas de configuración, una

para cada agitador y la ventana de “configuración” que es la ventana donde el usuario

elegirá el agitador a programar, por otro lado, la ventana de información es en la que el

usuario obtendrá la información del proceso y la pantalla principal donde se encuentra el

título del proyecto y autores.

Como sabemos desde el diseño planteado en el capítulo 3 los botones que

conforman el panel de navegación de la interfaz deben redirigir al usuario a las

respectivas ventanas (pantalla principal, configuración e información), para esto se

necesita añadir un evento, seleccionando el botón de la interfaz que queremos configurar

y dando click en la opción eventos, activar, activar imagen y se debe escribir el nombre

de la imagen o ventana que se desea activar cuando el usuario presione dicho botón, así

como se muestra en la Figura 68. El proceso es el mismo para los 3 botones cada uno

con el nombre de su respectiva ventana a activar.


108

Figura 67. Configuración del panel de navegación.

En la ventana de configuración se introducen 4 botones como imágenes de los

agitadores que sirven para que el usuario realice la selección del agitador a configurar,

estos botones se configuran de la misma forma que el panel de navegación, activando

así las ventanas de configuración de cada agitador, como se muestra en la Figura 69.


109

Figura 68. Configuración de botones para selección de agitador.

En cuanto a las ventanas de configuración de cada agitador se deberían insertar

5 listas desplegables, cada una de ellas correspondiente a la velocidad del motor en cada

etapa, como son 5 etapas en total, se deberían por tanto agregar 5 listas desplegables

según el diseño descrito en el Capítulo 3, pero dado que en el software del TIA Portal

para la KTP 600 no contamos con dicha opción, se reemplazaron estas listas por campos

de entrada/salida, donde el usuario tendrá que digitar el valor de la velocidad que desea

entre las 8 velocidades definidas en el diseño que son 200, 250, 500, 750, 850, 1100,

1200 y 1500 Revoluciones por minuto, este mismo tipo de campo se utiliza para el ingreso

de las horas y minutos de cada etapa, como se muestra en la Figura 70.


110

Figura 69. Campos de entrada/salida para ingreso de velocidades.

Estos campos de entrada/salida se deben asociar a la variable del proceso

respectiva que se encuentra dentro del programa del PLC, para la velocidad vamos a

tener 5 variables por caga agitador, por ejemplo, para el primer agitador las variables son,

V1AG1, V2AG1, V3AG1, V4AG1 y V5AG1, cada una de estas variables guardará el valor

de velocidad elegido desde la HMI para cada una de las 5 etapas, en este caso sería

para programar el primer agitador, estas variables son de tipo real, lo cual significa que

ocupan 4 bytes en memoria cada una.


111

El primer paso es crear una conexión entre la HMI y el PLC para esto basta con

ingresar al menú de conexiones del TIA Portal y dar click en agregar conexión, se debe

escribir un nombre para la conexión y el driver de comunicación que para este caso es el

SIMATIC S7 1200, como en el proyecto solo se encuentra agregado este PLC, se

conectará automáticamente con él por medio de su dirección IP, como se muestra en la

Figura 71.

Figura 70. Conexión KTP600 (HMI) y S7 1200 (PLC).

Una vez creada la conexión entre HMI y PLC, se procede a crear el listado de

variables del PLC que se utilizarán ya sea para leer o escribir sobre ellas, para esto solo

es necesario ir a “Variables HMI”, “mostrar todas las variables” e ir creando el listado, a

cada variable se le debe colocar un nombre (No necesariamente el mismo que aparece

en el programa del PLC), tipo de datos (Real, Int, Dint…), seleccionar la conexión creada

con el PLC para este caso “HMI_Conection_1” y la respectiva dirección en memoria a la

que se desea acceder por ejemplo MD100, como se muestra en la Figura 72.


112

Figura 71. Creación de listado de variables con conexión al PLC.

Ahora que ya se tienen tanto el listado de variables a utilizar del PLC como la

conexión con éste, se procede a configurar los campos de entrada/salida dispuestos en

la ventana de Configuración Agitador 1 (ver Figura 70), por ejemplo para configurar la

velocidad a la que el motor del agitador 1 girará en la primera etapa se debe escribir en

la variable “V1AG1” desde el campo “Velocidad 1” en la HMI, para lograr este vínculo se

debe dar clic en dicho campo ir a “propiedades”, “general” y escribir el nombre de la

variable a la cual se desea que se vincule, para este caso “V1AG1”, como se muestra en

la Figura 73.

El proceso ese el mismo para configurar los tiempos, tanto horas como minutos,

sus variables respectivas por ejemplo para el agitador 1 en la etapa 1 son, “T1 HORAS

AG1” y “T1 MINUTOS AG1”, cabe aclarar que estas variables en el PLC son de tipo TIME

y se deben declarar con este tipo de datos en la lista de variables de la HMI.


113

Figura 72. Vinculación entre los campos de entrada/salida con las variables del PLC.

En cuanto a los botones de Play, pause y stop son configurados con variables tipo

Bool, por ejemplo, para el agitador 1, las variables correspondientes en el PLC son

PLAY1, PAUSE1 y STOP1 y se deben configurar en “eventos”, “ActivarBit”, como se

muestra en la Figura 74.


114

Figura 73. Vinculación del botón de PLAY con el bit correspondiente en el PLC.

Las balizas son vinculadas con los bits del PLC, dando clic en la baliza,

“animaciones”, “apariencia” y escribiendo el bit correspondiente, por ejemplo, para la

baliza verde del agitador 1, el bit correspondiente en el PLC es “BALIZA VERDE DIGITAL

1”, como se muestra en la Figura 75.


115

Figura 74. Vinculación de la baliza verde del agitador 1 con su bit correspondiente en el PLC.

La última ventana que se implementó fue la de información, esta ventana tiene

datos básicos del proceso como lo son, la etapa actual en la que se encuentra cada

agitador, su velocidad y el tiempo transcurrido en horas, minutos y segundos. Para captar

esta información desde el PLC, se debió realizar también la debida vinculación con cada

variable del PLC, por ejemplo, para el agitador 1, la variable que contiene la etapa actual

en la que se encuentra el proceso es “ETAPA ACTUAL AG1”, la variable que nos dice

las horas que el agitador ha estado en funcionamiento es “HORAS AG1”, los minutos

“MINUTOS AG1” y para los segundos “SEGUNDOS AG1”, por último la variable que

contiene la velocidad actual del agitador es “VELOCIDAD ACTUAL AG1”, como se

muestra en las Figuras 76, 77, 78, 79 y 80.


116

Figura 75. Vinculación de la etapa actual del agitador 1 con su variable en el PLC.

Figura 76. Vinculación de las horas transcurridas del agitador 1 en funcionamiento con su variable en el PLC


117

Figura 77. Vinculación de los minutos transcurridos del agitador 1 en funcionamiento con su variable en el

PLC.

Figura 78. Vinculación de los segundos transcurridos del agitador 1 en funcionamiento con su variable en el

PLC


118

Figura 79. Vinculación de la velocidad actual del agitador 1 en RPM con su variable en el PLC.

Esta pantalla de información es general para los 4 agitadores y se puede ver la

información del proceso en tiempo real, de esta forma si los 4 agitadores estuviesen

funcionando al tiempo se podría visualizar su información de forma paralela, gracias a la

vinculación con las variables del PLC, cabe anotar que se puede acceder en cualquier

momento a esta pantalla de forma fácil y rápida con el botón de “información” ubicado

dentro del panel de navegación de la interfaz.


119

5. PRUEBAS Y RESULTADOS

Antes de comenzar con el capítulo 5, es necesario aclarar que debido a la gran

dificultad que se tiene para ingresar a la planta de la empresa SunChemical Yumbo por

cuestiones de falta de ARL, las pruebas y resultados se realizarán en las instalaciones

de la Universidad con materiales que ésta nos brinda, como lo son; el PLC Siemens S7

300, una TouchPanel TP177B, un Variador de Velocidad Danfoss VLT FC51 y un Motor

Cassi PI que hace parte de la banda transportadora del Laboratorio de Naranjos. Cabe

anotar que sobre estos materiales se puede implementar el diseño del proyecto sin

ningún problema. Como ya se sabe, la mayor diferencia se encuentra en las

características del motor, sin embargo, en cuanto a la implementación es lo mismo solo

que a una escala más pequeña.

Como se trabajará ahora con materiales distintos a los planteados en la selección

de tecnologías se procede a mostrar la implementación del diseño para los materiales

que nos ofrece la Universidad.

5.1. Pruebas de Hardware

Debido a las limitaciones de realizar las pruebas con los elementos solicitados y

además, con los agitadores de la empresa, se deben hacer las pruebas con los elementos

con los que se dispone. El primer elemento con el que se dispone es con un PLC

(Siemens) Simatic S7-300 con CPU 315F-2 PN/DP con Interfaz Profinet montado sobre

un módulo o Demo de fácil manejo, también se cuenta con una pantalla (Siemens) de

referencia Simatic TP 177B PN/DP de 6” con interfaz Profibus, Profinet y USB, también

con un Variador de Velocidad Danfoss VLT dispuesto para un motor de 1 Caballo de

Potencia (HP) y finalmente con un motor de ½ HP montado sobre una Banda

Transportadora y un Motorreductor e instalado para funcionar con el Variador Danfoss.


120

En la Figura 81 se muestra el diagrama de conexión para las tecnologías con las

que se trabajará en este capítulo.

Figura 80. Diseño del circuito de conexión para el S7-300, el variador Danfoss VLT y la pantalla TP177B

usando el software CADE SIMU.

5.1.1. Motor Cassi Power Transmission

Debido a la limitación de NO poder ingresar a la planta principal de la empresa

Sun Chemical en Yumbo, se procede a hacer pruebas con materiales al alcance del

equipo de trabajo. Uno de ellos, es un motor perteneciente a la planta Llenadora de Jabón

del laboratorio del Edificio Naranjos de la Universidad. Dicho motor es un motor

conectado a un motorreductor, y posteriormente conectado a una Banda Transportadora.


121

Dicho motor lo mueve un Variador de la marca Danfoss. La figura 82 muestra el motor

con el que se va a trabajar.

Figura 81. Motor de la banda del laboratorio de Naranjos

Posterior a tener acceso a realizar las pruebas en un motor conectado a un

variador que suministrara la universidad, sería prudente tomar los datos de placa de dicho

motor para así saber las condiciones de operación de dicho motor. Sin embargo, esto es

transparente para el proyecto, debido a que el motor, siempre que esté conectado a un

variador, será el variador el que haga el control, de acuerdo con los parámetros de la

placa del motor. No obstante, se considera importante exhibir la placa de dicho motor,

para conocer las condiciones de trabajo del variador., y La Figura 83 la muestra

claramente.


122

Figura 82. Placa del motor de la banda.

Es importante visualizar que es un motor de 0.25 KW, con alimentación a 220V y

60Hz, corriente nominal de 1.42 A y velocidad nominal de 160RPM. Dentro de la

aplicación se trabajará con motores a 1800 RPM de velocidad nominal, pero debido a

que la velocidad configurada desde el HMI es transparente para el Operario, lo único que

habría que cambiar sería las etiquetas de velocidades y trabajar entre los rangos mínimo

y máximo de Velocidad. La tabla de combinación binaria de salidas digitales de la

velocidad (Ver tabla 2) exhibe el hecho de una combinación binaria que se va a conectar

a un variador, cualquiera, sin importar que el motor sea de 1800 RPM o de 3600RPM o

de 1200 RPM o de 160 RPM, el hecho es que esas salidas digitales se conectarán a las

entradas de un variador que finalmente será el que haga el control y la variación de

velocidad para el motor en específico que esté conectado en su salida. Tampoco importa

el Voltaje de alimentación, para el proyecto es transparente, se reitera que, a la hora de

trabajar con variador de velocidad, será este el que se encargue de alimentar el motor y

controlar y variar su velocidad final.


123

5.1.2. Variador Danfoss VLT FC51

De acuerdo con lo anteriormente expuesto, se exhibe otro de los elementos a

utilizar dentro del proyecto. Es un variador de velocidad de la marca Danfoss instalado

en un tablero de control que se conecta al motor que mueve la banda transportadora.

Dicho variador fue seleccionado para trabajar bajo las condiciones del motor, y siguiendo

las características del motor expuestos en la placa (Ver figura 83). La figura 84, muestra

el variador que se encuentra dentro de un tablero de control al lado de la banda

transportadora.

Figura 83. Variador Danfoss VLT FC 51 utilizado para las pruebas del proyecto.

El Variador de Velocidad es un elemento de suma importancia en este proyecto.

Uno de los objetivos del trabajo es Implementar un Control para la variación de

velocidad. El control se implementa en Hardware y se usa el Variador de Velocidad para

dicho objetivo.


124

Es un variador seleccionado por almenos un 20% Por encima de la corriente

nominal del motor. En términos generales, un variador funciona similar sin importar la

marca, sólo que algunos tienen mayor resistencia al corto circuito (CC), o un control

diferente al otro, o mayor número de entradas digitales, o un Panel de Operador distinto,

o una interfaz de comunicación diferente, etc. Pero el funcionamiento es, en general, el

mismo.

La figura 85 muestra el Variador de Velocidad encerrado en una caja de control,

con entradas digitales para el control y con una entrada análoga para Set Point de la

Variación de Velocidad.

Figura 84. Caja de Control para el Variador de Velocidad Danfoss VLT

Finalmente, se exhibe la Figura 86 en la que se muestra la banda transportadora

junto con el Variador de Velocidad, el Motor y el Motorreductor.


125

Figura 85. Banda Transportadora de la Planta de Llenado del Laboratorio del Edificio de Naranjos.

5.1.3. PLC Simatic S7-300

La Figura 87 muestra el Módulo Demo del PLC instalado tanto con la fuente como

con los módulos de expansión de Entradas y Salidas Análogas y Digitales.

Figura 86. Demo del PLC S7-300 montado sobre un RAC


126

En la Figura 87 se puede ver de izquierda a derecha la Fuente de Alimentación a

24V para surtir de Voltaje a todo el Panel de Instrumentos, la CPU (Marcada con

Amarillo), El módulo de entradas Digitales y Análogas y en el último extremo de la

derecha, el módulo de Salidas Digitales y Análogas. En el RAC se logran ver Switches

que sirven como Entradas Digitales, Debajo de los Botones aparecen 4 canales de

Entradas Análogas, en la mitad y parte superior, aparecen borneras para utilizarlas como

fuente de 24V DC y debajo en la mitad aparece las borneras de 2 Salidas Análogas. En

la Parte Derecha aparecen los LED de visualización de las Salidas Digitales al lado de

unas borneras de donde se puede tomar el voltaje de dichas salidas. El RAC funciona

adecuadamente una vez se conecte con un cable de poder a una alimentación 110V y se

energice con el Botón Switch de la parte de Debajo de RAC.

El PLC que consta de una Fuente, una CPU y dos módulos uno para entradas y

salidas digitales y otro para entradas y salidas análogas. Dicho PLC es de una referencia

antigua, pero tuvo excelente acogida en la industria y por eso, además de contar con

Software propio de programación (Administrador Simatic), fue incluido en el catálogo de

Hardware del TIA Portal V11.0 en adelante. La Figura 88 muestra el PLC utilizado para

las pruebas y resultados.


127

Figura 87. PLC Montado sobre un módulo de pruebas

La Figura 88 muestra el PLC utilizado para las pruebas y justamente la CPU,

marcada con amarillo, cuenta con tres cosas importantes: El Selector de Operación que

cuenta con tres posiciones, Start, Stop y registro de memoria MREG, el Slot Vertical de

memoria externa, necesaria para que el PLC pueda almacenar memoria y la tapa

Horizontal donde se encuentra la Interfaz Profinet.

Se debe aclarar que la Universidad también cuenta con un PLC S7-1200 para

poder hacer las pruebas, pero debido a una incompatibilidad de Hardware entre el PLC

y la Pantalla, se debe usar el PLC S7-300. Dicha incompatibilidad se exhibe debido a la

conexión a establecerse entre la Pantalla y el PLC. El Software de la pantalla no cuenta

con un controlador de conexión para S7-1200 sino sólo hasta el S7-300/400.


128

5.1.4. Conexión Pantalla - PLC

La manera rápida de conectar y hacer pruebas es usando un Cable de Red entre

la Pantalla y el PLC. Pero para hacer ciertas pruebas también es importante visualizar lo

sucedido usando un Computador donde esté guardado el proyecto para, posteriormente,

Establecer conexión Online en el PLC y poder visualizar En Línea lo sucedido. Para

establecer la conexión entre los elementos del Proyecto (PLC, Pantalla y Computador)

se utiliza un Switch Ethernet. Las direcciones de los equipos deben estar todos dentro de

la misma subred. La dirección del PLC S7-300 es 192.168.0.1, la de la Pantalla TP177b

es 192.168.0.2 y la del Computador es 192.168.0.100 todos con máscara de subred

255.255.255.0. El Switch permite conexión entre muchos elementos y también lo

suministra la Universidad. Para conectar de Cualquier equipo a un Switch se puede

utilizar un cable de Red Cruzado o Directo, no importa la convención. La figura 89

muestra todos los elementos conectados al Switch.

Figura 88. Todos los elementos conectados al Switch


129

Finalmente, y verificada la conexión se conecta entonces la Pantalla y el PLC

usando un Cable Profinet cruzado y queda listo el sistema para poder ser conectado con

la Planta de Llenado de Jabón.

5.2. Pruebas de Software

Los cambios en el Software, debido a las pruebas son mínimos. De hecho, el único

cambio se exhibe en un elemento del PLC y en el software de programación de la

pantalla. Básicamente todo se plantea para programar en el TIA Portal V13.0. Sin

embargo, la pantalla, debido a su antigüedad, cuenta con su propio software de

Programación llamado WIN CC. Se cuenta con una versión debidamente licenciada que

permitirá la programación libremente de la pantalla y debido a que el TIA Portal es una

evolución del WIN CC los cambios en las rutas de programación son mínimos y casi que

son las mismas.

5.2.1. Programación Simatic S7-300

En cuanto al elemento que cambia en el PLC es la desaparición del Temporizador

con memoria TONR debido a que, el S7-300 no cuenta con Temporizadores TONR.

Dichos temporizadores están disponibles desde el S7-1200. La desaparición de los

temporizadores con memoria induce la desaparición de los Estados de Pause del

programa Principal. Realmente no es mucho el cambio, y la empresa aceptó dicho

cambio. Sin embargo, el equipo de trabajo se vio involucrado en la realización de otro

diseño para dejar más claro dicho cambio. La Figura 90 muestra el nuevo diseño del

Grafcet para un solo Agitador.


130

Figura 89. GRAFCET modificado para trabajar con el S7-300

Nótese que el cambio entre la Figura 90 y la Figura 24 es muy pequeño. Lo único

que se logra ver es la desaparición de los estados de Pause conservándose el

funcionamiento del sistema. Debido a que se trabajará como lo mencionado

anteriormente, se involucran también funciones, y por lo tanto la Figura 91 muestra el

GRAFCET del sistema pensado para Bloques Funcionales o FB.


131

Figura 90. GRAFCET del sistema involucrando FB

Se procede a la programación del S7-300 en el TIA Portal ya que, dentro de su

catálogo de hardware está incluido dicha CPU. Se podría también programar en el propio

entorno llamado Administrador Simatic, pero se prefiere trabajar en TIA Portal debido a

que ya se conoce dicho entorno porque se programó para el S7-1200.

No queda más que programar el S7-300, generar los Bloques FB y los DB,

compilar y enviar a la CPU. La figura 92 muestra los módulos del PLC agregados en el

TIA Portal.


132

Figura 91. Módulos del PLC S7-300 a utilizar en las pruebas del proyecto

El hardware con el que se va a trabajar se debe agregar debidamente en el TIA

Portal y La figura 92 lo muestra claramente.

Seguido a eso, y debido a que únicamente los cambios son en los Temporizadores,

se busca la pestaña de Temporizadores en el Árbol de Instrucciones para verificar la

ausencia de los temporizadores con memoria TONR. La figura 93 muestra los

temporizadores presentes en el S7-300.


133

Figura 92. El árbol de instrucciones que muestra la ausencia de los temporizadores TONR en el S7-300

Seguidamente, se programan los bloques, eliminando de la programación los

Estados de Pause, compilando y verificando que todos existan. La figura 94 muestra el

resultado de los bloques funcionales en el árbol de proyecto.


134

Figura 93. Bloques Agregados en el Árbol de Proyecto, cada FB con su respectivo DB

Como se logra ver en La figura 94 se ve que aparecen los mismos bloques

funcionales que en La figura 52. Se establece el mismo algoritmo de suma de los tiempos

para insertarlos en PV de los temporizadores y se establece también, el algoritmo de

conversión de TIME a Segundos, Minutos, Hora.

Es evidente que los cambios son mínimos y que sólo es un cambio de hardware,

más que de software.

En cuanto a software del PLC lo que queda es compilar el código y cargárselo a la

CPU. Lo rápido sería Establecer conexión en línea en el TIA Portal de forma tal que se


135

pueda visualizar en la pantalla lo sucedido. Esto es eficiente para la depuración del

código, sin embargo, contando un módulo DEMO de control y visualización en donde está

directamente empotrado el PLC, se hace mucho más fácil la visualización de lo sucedido

en el programa.

5.2.2. Parametrización del Variador Danfoss VLT FC51

Luego de programar el PLC y la pantalla y antes de conectar todo para pasar a la

prueba se debe parametrizar el Variador de Velocidad. Las siguientes tablas muestran

los parámetros a seleccionar y tratar dentro del variador de velocidad Danfoss VLT FC51.

La Tabla 14 muestra los Ajustes Generales.

Ajustes Generales

.1-00 Modo Configuración

[0] Lazo Abierto

[3] Proceso

.1-01 Principio Control Motor

[0] U/f

[1] VVC+

.1-03 Características de Par

[0] Par Constante

[2] Optim. Auto. Energía Tabla 14. Códigos de Ajustes Generales en el Variador Danfoss VLT FC51

Para el Parámetro 1-00 se selecciona la opción [3] para que el Variador establezca

un Lazo Cerrado de Control, en el parámetro 1-01 se selecciona, por lo general, la opción

[0], en el parámetro 1-03 se selecciona, por lo general, la opción [0] aunque también es

válido seleccionar la opción [2] que cuando haya pasado determinado tiempo en par

constante, el Variador reduce su velocidad hasta la mínima y cuando detecte cambio de

par, acelera a la velocidad configurada, siguiendo la rampa de aceleración.

La tabla 15 muestra los parámetros para los datos del motor.


136

Datos del Motor

.1-20 Potencia del Motor

[1] [20] KW o HP

.1-22 Tensión del Motor

[0] 230-400 V

.1-23 Frecuencia del Motor

[0] 20 – 400 Hz

.1-24 Corriente del Motor

[0] 0,001 – 100 A

.1-25 Velocidad Nominal

[0] 100-9999 RPM

.1-29 Activar AMT

[0] NO

[2] Activar Tabla 15. Códigos de Datos de la Placa del Motor.

En los parámetros 1-20, 1-22, 1-23, 1-24 y 1-25 se agregan los datos de la Placa

del Motor, mientras que en el parámetro 1-29, por lo general, se selecciona la opción [2].

AMT son las siglas de Automatic Motor Tunning o Ajuste Automático del Motor que por

lo general se selecciona en automático.

La Tabla 16 muestra los Límites de Referencia para las velocidades.

Límites de Referencia

.3-00 Rango de Referencia

[0] Min - Max

[1] (-) Max - +Max

.3-02 Referencia Mínima

.3-03 Referencia Máxima Tabla 16. Límites de Referencia General para seleccionar las velocidades

En el parámetro 3-00 se selecciona la opción [0] para que el Spam de selección

sea desde la Mínima a la Máxima, en el parámetro 3-02 se escribe, por lo general, la

Velocidad Mínima en Hz, por defecto 0 Hz. En el parámetro 3-03 se escribe la Velocidad

Máxima en Hz, por defecto la máxima frecuencia de la red en Hz (Colombia 60 Hz).


137

La Tabla 17 muestra las referencias internas y fijas para escalizar las velocidades.

Referencias

.3-10 Referencia Interna

[0] (-100-100%)

.3-11 Velocidad Fija HZ

[0] 0 - 400 Hz Tabla 17. Referencias para el Variador

El Parámetro 3-10 se selecciona, por lo general, el 100% para que la referencia

interna sea de 0% a 100%, mientras que el parámetro 3-11 permite seleccionar la

velocidad Fija en Hz que se configura dependiendo de la aplicación. Muchas aplicaciones

requieren mover un motor a una velocidad fija por determinado tiempo, y cambiar el

sentido de giro, parar, arrancar, etc.

La tabla 18 muestra los parámetros para configurar las rampas de aceleración y

desaceleración.

Rampas

.3-41 Tiempo de Aceleración

.3-51 Tiempo de Desaceleración Tabla 18. Rampas de Aceleración y Desaceleración

Es suficiente configurar los tiempos de aceleración (3-41) y desaceleración (3-52),

por defecto en 5 Segundos. Estos son tiempos que tardan en subir o bajar de una

velocidad actual a una velocidad futura que puede ser mayor o menor.

La tabla 19 muestra los parámetros referentes a Porcentajes de Velocidad a

configurar.


138

Porcentajes

3-10 Velocidades - S. Digitales

0 11.1%

1 13.8%

2 27.7%

3 41.6%

4 47.2%

5 61.1%

6 66.6%

7 83.3% Tabla 19. Porcentajes de Velocidades respecto a las referencias internas.

El parámetro 3-10 contiene 8 posiciones definidas por Porcentajes. Cada posición

tiene asignada una referencia y de acuerdo a la combinación binaria de las entradas

digitales 27, 29 y 33 y la velocidad nominal del motor configurada en el parámetro 1-25

(Ver Tabla 15), el variador hará un cambio en la velocidad, multiplicando tal porcentaje

por la referencia máxima configurada en el parámetro 3-03 (Ver Tabla 16). Por Ejemplo,

si la velocidad nominal del motor es 1800 RPM, la referencia máxima es 60Hz y la

combinación binaria de los bits 27, 29 y 33 es ´000´, el variador seleccionará la posición

‘0’ de la Tabla 19 y la velocidad en Hz seleccionada será el 11.1% de 60Hz o 6.6 Hz y la

velocidad en RPM seleccionada será el 11.1% de 1800RPM o 200RPM.

5.2.3. Pantalla TP 177b 6” Color Pn/Dp

Para la implementación en la TP177B se debe trabajar con un software llamado

“Win CC Flexible”, ya que esta pantalla no es compatible con el TIA PORTAL, esto es

debido a que la pantalla TP177B es antigua con respecto a la KTP600 que se eligió para

el proyecto.

El primer paso para la implementación de la Interfaz es crear el proyecto en el

WinCC eligiendo claramente la TP177B como la pantalla a programar, similar a lo que se

realizó en la implementación de la KTP600 en el TIA PORTAL, tal como se muestra en

la Figura 95.


139

Figura 94. Selección de la pantalla a programar en WinCC Flexible.

Luego de realizar la selección de la pantalla a programar se procede a crear las

ventanas que tendrá la interfaz, similar a como se realizó con la KTP600, solo es dar clic

en “agregar imagen” y colocar el nombre respectivo de dicha ventana, luego de esto se

debe realizar el diseño de la plantilla que como ya sabemos se compone del panel de

navegación y la línea divisoria para títulos en la parte superior de la interfaz, este diseño

implementado en la TP177B se muestra en la Figura 96.


140

Figura 95. Plantilla de la Interfaz hombre-máquina en WinCC.

En cuanto a la configuración de los botones del panel de navegación también se

realiza de forma similar a la KTP600, seleccionamos el botón a configurar, vamos a

“eventos”, “Hacer Clic”, seleccionamos la acción asociada a este evento que sería

“Activar Imagen” y se escribe el nombre de dicha imagen o ventana, para el caso del

botón de Pantalla Principal sería “Pantalla_Ppal”, como se muestra en la Figura 97.

Como se explicó en el capítulo 4 “Implementación de la solución Electrónica”, esto

mismo aplica para todos los botones de la interfaz cuya función sea activar otra ventana.


141

Figura 96. Configuración del panel de navegación.

Para realizar la respectiva conexión entre las variables del PLC y la pantalla HMI

en el WinCC Flexible se realiza de la siguiente forma; primero nos vamos a “conexiones”,

le ponemos un nombre a la conexión, para este caso se le asignó “PDG”, luego

seleccionamos el driver de comunicación, para ese caso necesitamos el driver de

comunicación del S7 300 que es el PLC al que se va a conectar la pantalla TP177B, en

el WinCC aparece como “S7 300/400” ya que dicho driver sirve también para el PLC S7

400, se verifica que el modo Online esté “Activado” , en parámetros se selecciona el tipo

de comunicación, para este caso es por cable “Ethernet”, se especifican direcciones IP

tanto de la pantalla como del PLC, para este caso se eligieron las direcciones


142

“198.168.0.2” para la pantalla y “192.168.0.1” para el PLC, este proceso se muestra más

claro en la Figura 98.

Figura 97. Conexión TP177B (HMI) y S7 300 (PLC).

Una vez creada la conexión, se procede a crear la lista de variables, nos vamos a

“variables” y para el caso del WinCC se debe especificar por variable, “nombre”,

“Dirección”, “Conexión” y “tipo de datos”, como se muestra en la Figura 99.


143

Figura 98. Creación del listado de variables con conexión al PLC S7 300.

Ahora que ya se tienen las variables que se leerán o escribirán en el PLC, se

procede a configurar los campos de entrada/salida dispuestos en las ventanas de

configuración por agitador, por ejemplo, para el agitador 1, se tienen 10 campos de

entrada/salida para los tiempos, pero a diferencia de la KTP600, en el WinCC si se logró

agregar 5 listas desplegables para las velocidades de cada etapa, como se muestra en

la Figura 100.


144

Figura 99. Campos de entrada/salida para ingreso de velocidades en el WinCC.

Estas 5 listas desplegables permiten elegir al usuario con mayor comodidad la

velocidad de cada etapa, sin necesidad de escribir el valor de dicha velocidad, como

ocurre en la KTP600. Los campos de ingreso para horas y minutos permiten el uso de

coma flotante de tal forma que al realizar las pruebas se puedan ajustar tiempos cortos

como 0,5 minutos y de esta forma supervisar el funcionamiento del programa más

fácilmente sin esperar grandes cantidades de tiempo por etapa, sin embargo, esta opción

no es necesaria para el proceso ya que es un proceso lento que en promedio maneja

etapas de 2, 5 y hasta 10 horas.

En cuanto a los botones de Play y Stop, se configuran con los eventos “Pulsar” y

“Soltar” de tal forma que cuando se pulsen, la acción asociada sea “ActivarBit” activando

su respectivo bit en el PLC y cuando se sueltan, la acción asociada sea “DesactivarBit”

desactivando su respectivo bit en el PLC, tal como se muestra en las Figuras 101 y 102

para el primer agitador.


145

Figura 100. Configuración del botón de Play al pulsar para el agitador 1 en WinCC.

Figura 101. Configuración del botón de Play al soltar para el agitador 1 en WinCC.


146

Para los indicadores de ON y STOP, se configuran con los bits del PLC de tal

forma que cuando estos bits se activen, los indicadores comiencen a parpadear, este

proceso se realiza dando clic en el indicador a configurar y nos vamos a “animaciones”,

“apariencia” y se escribe el nombre de la variable asociada del PLC, para el caso del

agitador 1 y el indicador de ON, sería “BALIZA VERDE DIGITAL AGITADOR 1”, se

verifica que este activa la opción de bit, se configuran los colores con los cuales realizará

la acción de parpadear, en este caso verde y negro, y por último se selecciona parpadear

cuando el valor de la variable asociada esté en 1 y no parpadear cuando esté en 0, tal

como se muestra en la Figura 103.

Figura 102. Configuración del indicador de ON para el agitador 1 en WinCC.

Por último, se implementa la ventana de información, la cual tiene datos básicos

del proceso como lo son, la etapa actual en la que se encuentra cada agitador, su

velocidad y el tiempo transcurrido en horas, minutos y segundos. Al igual que como se

explicó con la KTP600 hay que vincular cada indicador en la HMI, con su respectiva

variable en el PLC, tal como se muestra en las Figuras 104, 105, 106, 107 y 108.


147

Figura 103. Vinculación de la etapa actual del agitador 1 con su variable en el S7 300 por

medio de WinCC.


148

Figura 104. Vinculación de las horas transcurridas del agitador 1 en funcionamiento con su

variable en el S7 300 por medio de WinCC.


149




150




151

Figura 107. Vinculación de la velocidad actual del agitador 1 en RPM con su variable en el S7 300 por

medio de WinCC.

Una vez finalizada la configuración de la Interfaz Hombre máquina en el software

WinCC se procede a descargar este programa en la pantalla TP177B, para esto basta

con dar clic en el símbolo de descargar, digitar la dirección IP de la pantalla, verificamos

que se sobrescriba la información y damos clic en “Transferir”, tal como se muestra en la

Figura 109.


152

Figura 108. Transferencia del programa (HMI) desde el WinCC hacia la pantalla TP177B.

El resultado final al descargar dicho programa de la Interfaz Hombre-Máquina en

la pantalla Siemens TP177B se muestra en las Figuras 110, 111, 112, 113, 114, 115 y

116.


153

Figura 109. Pantalla Principal de la Interfaz Hombre-Máquina implementada en la TP177B.

Figura 110. Ventana de Configuración implementada en la TP177B.


154

Figura 111. Ventana de Configuración Agitador 1 implementada en la TP177B.



155




156

Figura 115. Ventana de Información General implementada en la TP177B.

5.3. Resultados en el Módulo del PLC

Antes de poder establecer conexión entre el PLC, la Pantalla y la planta de Llenado

de Jabón se pueden visualizar los resultados en el Módulo PLC. Lo primero es

seleccionar alguno de los 4 agitadores en la pantalla y configurar Tiempo y Velocidad

para las 5 Etapas. Se ha seleccionado el Agitador 1 y se configuran las variables

solicitadas por la HMI. La figura 117 muestra la configuración de Tiempo y Velocidad en

la HMI.


157

Figura 116. Configuración de Tiempo y velocidad en la TP177B

Se han configurado 5 tiempos cada uno de 0.1 minutos, o 6 Segundos. Esto para

poder facilitar la agilidad de las pruebas. Claro, pueden ser configuradas horas y minutos

libremente, pero es mucho más rápido hacer pruebas y no quedarse esperando tanto

tiempo entre cambios de etapas.

En el módulo se puede visualizar lo sucedido y mientras el programa esté en el

Estado 0, La combinación binaria de las salidas digitales de la velocidad (Speed 1, Speed

2, Speed 3) es ´000´, el Bit de Arranque tiene valor lógico ´0´ y la única baliza encendida

es La Baliza Roja. La figura 118 muestra dicho funcionamiento. Es válido Fijarse en el

Byte Izquierdo debido a que el Byte derecho está reservado para el funcionamiento del

Agitador 2.


158

Figura 117. Salidas Digitales del PLC S7-300 mostrando el funcionamiento del sistema en LEDS.

La tabla 20 muestra la Tabla de Salidas Digitales del PLC S7-300

Tabla de Salidas Digitales

Bit de Arranque Q0.0

Speed 1 Q0.1

Speed 2 Q0.2

Speed 3 Q0.3

Baliza Roja Q0.4

Baliza Verde Q0.5

Tabla 20. Salidas Digitales del PLC S7-300

Como se logra ver en La figura 118, que muestra el Estado 0 activo, la única salida

que está activa es la Q0.4 es decir, la Baliza Roja. Sin embargo, la Figura 119 muestra

la etapa 1 y allí se encienden las salidas Q0.0 y la Q0.5 que son El Bit de Arranque y la

Baliza Verde, respectivamente. No se encienden ninguno de los Bits de las velocidades

debido a que la velocidad de la etapa 1 es 200RPM, y allí, no hay ningún bit de velocidad

activo.


159

Figura 118. Resultado de las salidas digitales en el PLC S7-300 en la Etapa 1

Debido a que la velocidad de la etapa 2 es 250 RPM, la combinación de los bits

de la velocidad (Speed3, Speed 2, Speed 1) es ‘001’, es decir que el bit encendido será

el Q0.1 siguiendo con el de Arranque y la Baliza Verde. La figura 120 muestra dicho

funcionamiento.


160


Ya que la velocidad de la etapa 3 configurada es 500 RPM, la combinación binaria

será ´010´, conservando el bit de arranque y la baliza verde. La figura 121 lo muestra

claramente.


161


Debido a una falla en los LED del módulo, ese LED instalado a la salida Q0.2 está

quemado. Sin embargo, se puede visualizar en los LED propios de la CPU. Se logran ver

encendidas las salidas Q0.0, Q0.2 y Q0.5. Es válido fijarse en el Byte de Arriba debido a

que ese es el designado para el Agitador 1.

La etapa 4, tiene asignada la velocidad 750 RPM, por lo que la combinación binaria

de las salidas digitales para la velocidad (Speed3, Speed 2, Speed1) es ´011´, por lo que

las salidas activas serán la Q0.0, Q0.1, Q0.2 y Q0.5. La figura 122 lo muestra claramente.


162


Finalmente, la etapa 5, tiene asignada la velocidad 850 RPM por lo que la

combinación binaria de las salidas digitales de la velocidad (Speed 3, Speed 2, Speed 1)

es ´100´ por lo que las salidas encendidas serán la Q0.0, Q0.3 y Q0.5. La figura 123 lo

muestra claramente.


163


Finalmente, se puede transportar el módulo del PLC y la Pantalla al Laboratorio de

Naranjos, donde se conectará con la Planta de llenado de Jabón y finalmente obtener los

resultados finales.

5.4.Resultados finales

Finalmente, los equipos son llevados hacia el Laboratorio de Llenado de Jabón del

Edificio Naranjos de la Universidad de San Buenaventura, que fue solicitado y prestado

acordemente para las pruebas del presente trabajo. Se establece la conexión entre PLC

-Pantalla, PLC – Variador y Alimentación de todos los equipos. La conexión PLC –

Pantalla se establece mediante Ethernet o mediante Profinet, la que se prefiera. Sin

embargo, la conexión PLC – Variador se establece teniendo en cuenta el esquema de la

Figura 124 mostrada a continuación.


164

Figura 123. Esquema de Conexión del Variador Danfoss VLT FC51

En la Figura 124 se logra ver en la parte inferior izquierda el esquema de conexión

de las entradas digitales. Se entiende entonces que, para eso, se debe alimentar el PIN

12 con +24 Voltios, además, cablear los pines 18, 19, 27, 29 y 33. El Pin 18 será

configurado como el Bit de Arranque, el Bit 19 se deja libre, mientras que los bits 27, 29

y 33 se configuran como Speed1, Speed2 y Speed3 respectivamente, de acuerdo con la

Tabla de Combinación de Salidas Digitales para las Velocidades.


165

Posterior a eso, se conecta el PLC con el Variador de acuerdo con la Figura 124.

Seria idóneo establecer una conexión a Relés entre las Salidas Digitales del PLC y las

Entradas Digitales del Variador con el objetivo de proteger las salidas del PLC mediante

asilamiento galvánico. Sin embargo, y debido a que las salidas en el módulo del PLC ya

están cableadas en Relés, bastará tomar las señales de las borneras del módulo.

Finalmente, se toma alimentación del Módulo del PLC proveniente de la fuente para

suministrar +24V a la Pantalla HMI TP177b y se conecta todo. La figura 125 muestra

claramente lo expuesto anteriormente.

Figura 124. Todos los Equipos conectados entre sí, y con el Variador incluido.


166

Con el PLC apagado, se parametriza el variador siguiendo las tablas 14 a 19. Se

escogen los parámetros de acuerdo con las tablas. La figura 126 muestra el parámetro

de la Potencia del Motor.

Figura 125. Parámetro de la Potencia del Motor 1-20

La figura 127 muestra el parámetro del Voltaje del Motor.

Figura 126. Parámetro del Voltaje del Motor 1-22


167

La figura 128 muestra el parámetro de la Frecuencia máxima a la que trabajará el

Motor.

Figura 127. Parámetro de la Frecuencia del Motor 1-23

La figura 129 muestra el parámetro de la Corriente del Motor.

Figura 128. Parámetro de la Corriente del Motor 1-24


168

La Figura 130 muestra parámetro de la velocidad mínima del Motor.

Figura 129. Parámetro de la Velocidad mínima del Motor 3-02

La Figura 131 muestra parámetro de la velocidad máxima del Motor.

Figura 130. Parámetro de la Velocidad máxima del Motor 3-03

Finalmente, se parametrizan los porcentajes de Velocidad basados en la

referencia interna creada por la combinación binaria de las Entradas Digitales presentes

en el Variador de Velocidad y La Figura 132 muestra el parámetro 3-10 configurado

directamente en el Variador. Allí, se muestra la posición 0 correspondiente al 11.1% de

la velocidad máxima. Ingresando en el botón “OK” se pueden configuras los 7 restantes.


169

Figura 131. Parámetro donde aparecen las 8 posibles combinaciones de la velocidad en Porcentaje para una

referencia interna

Sin embargo, la figura 133 muestra uno de los valores internos de la tabla del

parámetro 3-10 en la posición 1 correspondiente al 13.8% de la velocidad máxima.

Figura 132. Parámetro 3-10 en la posición 1 mostrando el porcentaje asignado anteriormente

Finalmente, se configuran los tiempos de aceleración y desaceleración o lo que se

llama Rampas de Bajada y Subida. Se parametrizan en los parámetros 3-41 y 3-51

respectivamente. La figura 134 muestra el Tiempo de aceleración.


170

Figura 133. Rampa de Aceleración

La figura 135 muestra el Tiempo de Desaceleración.

Figura 134. Rampa de desaceleración

Con esto y todo lo anterior, se configuran Tiempos Y Velocidades en el HMI, se

cargan en el PLC y se pone en funcionamiento el sistema. La Figura 136 muestra la

receta configurada en la HMI.


171

Figura 135. Una de las recetas configuradas desde la HMI

6. CONCLUSIONES

• El sistema de Temporización y Variación de Velocidad fue probado

finalmente en la planta procesadora de jabón con el motor que corresponde

a la banda transportadora, se opera desde la pantalla HMI, donde se

configura la receta para cada uno de los 4 agitadores que hacen parte del

proceso de empastado de concentrados de tintas en base solvente en la

empresa SunChemical Yumbo, como no se tenían 4 motores se probaron

cada una de las salidas que irían destinadas a los agitadores, por medio del

motor de la banda transportadora, el cual tiene características similares a

los agitadores de SunChemical pero a una escala más pequeña, las

pruebas fueron exitosas y el sistema funciona correctamente, cada agitador

es independiente del otro, es decir, los 4 pueden realizar procesos al mismo

tiempo, en conclusión se utilizaron los elementos de hardware y software

que permitieron implementar la solución propuesta.


172

• En el diseño final, cada motor está listo para ser conectado a un variador

de velocidad que permite seleccionar 8 posibles velocidades entre 200 y

1500 Rpm. Los Variadores de Velocidad al igual que el PLC se encuentran

en armarios dentro del Cuarto de Control de Motores (CCM) en la empresa

SunChemical Yumbo y las señales se envían usando cables con protección

ATEX 2/22, la misma protección con la que cuenta la pantalla HMI que se

encuentra en campo. Las velocidades de cada motor actualmente se miden

con una pistola de medición láser que evita el uso de sensores eléctricos

en el campo, para disminuir el riesgo de explosión, por encontrarse en una

zona propensa a dicho riesgo, teniendo en cuenta lo anterior el proyecto fue

culminado con éxito y esta listo para ser implementado en la empresa

SunChemical, quedando esta parte en las manos del personal operativo

que trabaja en ella, dado que nos fue imposible ingresar a la empresa por

falta de requisitos indispensables como el ARL.

• El control de la velocidad de cada agitador se implementó en Hardware

usando un Variador de Velocidad para cada motor. A los variadores se les

cargó un Control VF (Voltaje – Frecuencia) para variar la velocidad del

motor. Esto permitió que el Control se hiciera desde un PLC que comandara

las velocidades y los tiempos de agitación de acuerdo a las decisiones del

operario. El variador de velocidad también tiene elementos de protección

que permitieron seguir operando el motor hasta ciertos niveles de corriente.

Por último, fue necesario parametrizar el variador de acuerdo a las

características del proceso.

• La Interfaz Hombre – Máquina HMI le permite al operario ajustar los

parámetros específicos del producto de una manera sencilla. En dicha

interfaz se puede seleccionar 5 de 8 posibles velocidades y asignar un

tiempo para cada velocidad, lo que supuso un tiempo de agitación

especifico de acuerdo con los requerimientos del producto.


173

• Debido a las dificultades implícitas en este tipo de trabajos cuando se usan

determinadas marcas, este documento se escribió a manera de “Tutorial”,

esto servirá de guía para las futuras generaciones de estudiantes que

quieran encaminar sus esfuerzos en el campo de la Automatización

Industrial y más específicamente para los que trabajan con productos de las

marcas con las que se trabajó durante el desarrollo del proyecto.

• Se identificaron las tecnologías de instrumentación, control y supervisión

que mejor se ajustaron al diseño y a los requerimientos del proceso.

• Finalmente, se escribió un artículo con la información mas relevante de la

solución planteada en este proyecto.

7. RECOMENDACIONES

Los sensores de velocidad son importantes para realizar la medición de dicha

variable del proceso. Sin embargo, y debido a las recomendaciones de la empresa,

dichas mediciones no son de suma importancia para este proyecto, debido a que el

Variador de Velocidad puede hacer el control hasta cierto punto, de la velocidad del

motor. Por esta razón, las mediciones de velocidad se hacen actualmente mediante láser

para evitar las chispas dentro del ambiente explosivo. También se recomienda, involucrar

una protección magnetotérmica en la parte de potencia usando un Relé Electrónico con

protección ATEX 2-22 que pueda ser comandado desde un PLC remotamente, para que

pueda ser reactivado el movimiento de los motores, en cualquier momento, desde

cualquier lugar seguro.


174

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