Implementación mediante PLC Simens

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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

TALLER 3: IMPLEMENTACIÓN MEDIANTE PLC SIEMENS DEL PROCESO INDUSTRIAL DE MEZCLADO

DE SUSTANCIAS QUÍMICAS

Presentado por:

Andrés Ferney Oliva Código: 20081005042

Profesor: Humberto Gutiérrez

PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA ELECTRÓNICA

FACULTAD DE INGENIERÍA

OCTUBRE 2013

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN 3 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4 3. OBJETIVOS 8 3.1 OBJETIVO GENERAL 8 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 8 4. METODOLOGÍA 8 5. DESARROLLO 9 5.1 CARTA DE EVENTOS 9 5.2 TABLA DE SIMBOLOS 15 5.3 DIAGRAMA LADDER DEL PROGRAMA 16 6. CONCLUSIONES 60 7. BIBLIOGRAFÍA E INFOGRAFÍA 60 8. ANEXOS 60

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1. INTRODUCCIÓN:

En la actualidad diferentes procesos industriales se desarrollan automáticamente para

simplificarlos y volverlos más eficientes, estos por lo general siguen patrones muy definidos, por

esto es preciso el definir rutinas y maquinarias que se acojan de la mejor manera al proceso en

cuestión para así poder optimizarlo y aumentar significativamente el volumen de producción y las

ganancias que este puede traer.

Para este taller se busca realizar un excelente diseño de control para la generación de seis

productos en una industria química. Se presentan los actuadores necesarios para realizar el

proceso pedido, la carta de eventos que debe seguirse, los circuitos necesarios de control y

potencia. Para efectos de presentación, se mostrarán videos con las simulaciones pertinentes de la

secuencia que se describe en el planteamiento del problema en diferentes escenarios posibles, se

adjuntan además el archivo del proyecto realizado en el software STEP 7, y el informe escrito.

Mediante este trabajo se plantea el mejor diseño posible para la solución a los problemas

presentes en este proceso, utilizando métodos de automatización y control para lograr un

producto de mejor calidad y menos costo para el cliente aumentando las ganancias del productor.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:

La propuesta para el taller trata de un proceso químico en donde se efectúa la mezcla de

sustancias químicas con soluciones disolventes en proporciones controladas, para obtener

variedad de pro-ductos que son embotellados, para luego comercializar.

Esta estructura tiene siete tanques; tres de ellos contienen las sustancias química (Q1, Q2, Q3),

dos tanques con los líquidos de la solución disolvente (D1, D2), el tanque en donde se mezclan los

distintos componentes (tanque de mezclado) y el último tanque, contiene agua destilada.

Cada uno de los tanques tiene en su salida una electroválvula. Un mezclador que se acciona

mediante un motor trifásico de arranque directo Cada tanque de los disolventes contiene una

termocupla con temperatura controlada. La programación para producción se hace por lotes.

Para el final de lote

Cada lote lo componen 100 botellas de un mismo producto; cada botella tiene una capacidad de 1

L, es decir, el total de un lote es de 100 L. Como se observa en la figura, se pueden llenar

simultáneamente 10 botellas. Entre el fin de llenado de 10 botellas y el inicio del siguiente bloque

de 10 botellas se tarda 5 s.

La figura muestra el diagrama pictórico de la estructura del proceso.

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Procedimientos para la obtención del producto

El siguiente procedimiento es para un lote y muestra la secuencia para obtener cada producto.

Producto Químico 1 Químico 2 Químico 3 Disolvente 1

Disolvente 2

Temperatura solvente

P1 2 min 5 min 15 min 60 C

Producto P1:

1. Calienta disolvente hasta llegar a la temperatura requerida. Se alcanza en aproximada-mente 10 min. En adelante se mantiene esta temperatura constante

2. Abre válvula EV4 hasta completar el 50% del disolvente. Cierra válvula 3. Abre válvula EV1 pasando el químico Q1. Simultáneamente comienza el mezclado. Cierra

válvula. 4. Luego de 30 s, finaliza mezclado

5

5. Reposo durante 5 s 6. Simultáneamente abre válvulas EV3 y EV4 y comienza mezclado; pasa el disolvente

restante y todo el químico Q2. Cierra válvulas 7. Luego de 30 s finaliza mezclado 8. Reposo hasta que el producto alcanza la temperatura ambiente. Tiempo aproximado 5

min. 9. Abre válvula EV7 y comienza el envasado hasta completar el lote de 100 botellas. Cierra

válvula


Disolvente 2



Producto P2:


2. Abre válvulas EV2 y EV5 simultáneamente Pasa todo el químico Q2 y el 50% del disolvente. Cierra válvulas. Cuando termina de pasar el químico Q2, comienza el mezclado

3. Luego de mezclar 1 min, abre válvulas EV3 y EV5. Pasa químico Q3 y el resto de disolvente, sigue el mezclado. Cierra válvulas

4. Mezcla durante 1 min. Finaliza mezclado 5. Reposo hasta que el producto alcanza la temperatura ambiente. Tiempo aproximado 10

min. 6. Abre válvula EV7 y comienza el envasado hasta completar el lote de 100 botellas. Cierra

válvula.


Disolvente 2



Producto P3:


2. Abre válvulas EV1 y EV4 simultáneamente. Pasa todo el químico Q1. Cierra EV1. Inicia mezclado.

3. Pasa un minuto 4. Abre válvula EV2. Pasa todo el químico Q2 Cierra válvula EV2. 5. Pasa todo el disolvente. Cierra válvula EV4 6. Mezcla durante 2 min más. Finaliza mezclado 7. Reposo hasta que el producto alcanza la temperatura ambiente. Tiempo aproximado 5

min.

6

8. Abre válvula EV7 y comienza el envasado hasta completar el lote de 100 botellas. Cierra válvula.


Disolvente 2



Producto P4:

1. alienta disolvente hasta llegar a la temperatura requerida. Se alcanza en aproximada-mente 5 min. En adelante se mantiene esta temperatura constante

2. Abre válvulas EV1 y EV5 simultáneamente. Cuando solvente completa 50% cierra válvula EV4. Inicia mezclado.

3. Pasa todo el químico Q1 4. Sigue mezclado durante 5 min 5. Abre válvulas EV2 y EV5 simultáneamente. Pasa todo el químico Q2 y el resto de solución.

Cierra válvulas 6. Mezcla durante 2 min más. Finaliza mezclado 7. Reposo hasta que el producto alcanza la temperatura ambiente. Tiempo aproximado 15

min. 8. Abre válvula EV7 y comienza el envasado hasta completar el lote de 100 botellas.


Disolvente 2



Producto P5:



3. Pasa todo el químico Q1 4. Sigue mezclado durante 8 min (en esta parte la velocidad del mezclador es mayor, por lo

que la sustancia es más viscosa, sin embargo para efecto del taller, no se considera este efecto)

5. Abre válvulas EV3 y EV5 simultáneamente. Pasa todo el químico Q3 y el resto de solución. Cierra válvulas

6. Mezcla durante 15 min más. Finaliza mezclado 7. Reposo hasta que el producto alcanza la temperatura ambiente. Tiempo aproximado 15

min.

7

8. Abre válvula EV7 y comienza el envasado hasta completar el lote de 100 botellas.


Disolvente 2



Producto P6:



3. Pasa todo el químico Q2 4. Sigue mezclado durante 8 min (en esta parte la velocidad del mezclador es mayor, por lo

que la sustancia es más viscosa, sin embargo para efecto del taller, no se considera este efecto)

5. Abre válvulas EV3 y EV4 simultáneamente. Pasa todo el químico Q3 y el resto de solución. Cierra válvulas

6. Mezcla durante 15 min más. Finaliza mezclado 7. Reposo hasta que el producto alcanza la temperatura ambiente. Tiempo aproximado 15

min. 8. Abre válvula EV7 y comienza el envasado hasta completar el lote de 100 botellas.

El procedimiento de lavado es:

1. Finaliza envasado del lote, cierra válvula EV7. Se va a producir producto diferente

2. Se calienta el tanque de agua destilada hasta aproximadamente 90 C 3. Primer prelavado1: al llegar a esta temperatura se abre válvula EV6 y simultáneamente

arranca el mezclador. 4. Luego de 5 minutos cierra válvula EV62 5. Mezclador apaga luego de 1 min 6. Abre válvula EV7. Se evacúa el agua del tanque mezclador. Cierra válvula EV7 7. Segundo prelavado: abre válvula EV6, simultáneamente arranca mezclador 8. Luego de 5 minutos cierra válvula EV6 9. Mezclador apaga luego de 1 min 10. Abre válvula EV7. Se evacúa el agua del tanque mezclador. Cierra válvula EV7 11. Lavado final: abre válvula EV6 y arranca mezclador 12. Luego de 5 min cierra válvula EV6 y apaga mezclador 13. Abre Válvula EV7. Evacúa agua. Cierra válvula EV7

Se debe incluir en el diseño:

Un pulsador que inicie el proceso. Este pulsador solo se acciona una vez hasta que termine el

lote o lotes programados

Un testigo que indica el final de cada lote

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Un testigo intermitente que indique el fin de lote programado

Un testigo que indica que el tanque mezclador se llenó, siempre que se programe 5 o más lotes

3. OBJETIVOS

3.1 Objetivo General:

Realizar un diseño práctico y eficiente para el control de la producción de un cierto producto de

una planta de productos químicos, cumpliendo con cada uno de los requerimientos y

recomendaciones pedidas para asegurar calidad y seguridad en cada una de las etapas del

proceso.

3.2 Objetivos Específicos:

Entender a cabalidad el proceso productivo que realiza la industria química, para garantizar un buen diseño cumpliendo con todos los requerimientos y recomendaciones pertinentes.

Obtener una carta de eventos que describa de manera adecuada el proceso pedido y en base a este realizar una simulación de las secuencias.

Crear un esquema en Step7 donde se presente el código que brinde la solución a los requerimientos planteados.

Generar diferentes videos explicativos donde se muestren diferentes escenarios posibles en la manufactura del producto para validar el diseño al demostrar que efectivamente se cumplen con los requisitos de secuencias seguridad y tiempos.

4. METODOLOGÍA

El procedimiento a realizar para lograr una buena resolución del problema planteado se presenta

a continuación.

4.1 Efectuar una buena lectura del paso a paso del proceso de fabricación del producto para

entender bien los requerimientos de diseño.

4.2 Realizar diagrama de eventos de acuerdo al desarrollo en cada fase detallando las cargas,

sensores, pulsadores, tiempos y contadores.

4.3 Simular el diagrama Ladder que resuelva la carta de eventos del proceso.

4.4 Mostrar las simulaciones del proceso bajo diferentes escenarios no siempre deseables en el

proceso mediante videos.

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5.1.1PRODUCTO P1

EV7 EV3 MEZCLADO MEZCLADO EV1 EV4 EV4 EV4 TSOLVP1 P1 TE1 TE2 TE3 TE4 TE5 TE6 TE7 TE8 TE9 TE10

TE1 10 min

TSOLVP1 Q0.0 SECUENCIA VISTA EN EL PLC

TE2 7.5 min

EV4 Q0.4 1) Q0.0

TE3 2 min

EV1 Q0.1 2) Q0.4

TE4 30 seg

MEZCLADO Q1.0 3) Q0.1 Q1.0

TE5 5 seg

EV3 Q0.3 4) Q1.0

TE6 5 min

5)

TE7 2.5 min

6) Q0.3 Q0.4 Q1.0

TE8 30 seg

7) Q0.4 Q1.0

TE9 5 min

8) Q1.0

TE10 1 min

9)

10) Q0.7

10

5.1.2 PRODUCTO P2 EV3

EV7

MEZCLADO MEZCLADO EV2 EV2 EV5 EV5

TSOLVP2 P1 TE1 TE2 TE3 TE4 TE5 TE6 TE7 TE8


TE1 15 min

EV5 Q0.5 1) Q1.1

TE2 6 min

EV2 Q0.2 2) Q0.2 Q0.5

TE3 2 min

MEZCLADO Q1.0 3) Q0.2

TE4 1 min

EV3 Q0.3 4) Q1.0

TE5 6 min

EV7 q0.7 5) Q0.3 Q0.5 Q1.0

TE6 1 min

6) Q1.0

TE7 10 min

7)

TE8 1 min 30 seg

8) Q0.7 (10 INTERMITENCIAS)

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5.1.3 PRODUCTO P3

EV7 EV2

MEZCLADO MEZCLADO

EV4 EV4 EV4 EV4 EV1 EV5

TSOLVP3 P1 TE1 TE2 TE3 TE4 TE5 TE6 TE7 TE8

TE1 10 min


TE2 4 min

EV1 Q0.1 1) Q1.2

TE3 1 min

EV4 Q0.4 2) Q0.1 Q0.4

TE4 5 min


TE5 5 min

EV2 Q0.2 4) Q0.2 Q0.4 Q1.0

TE6 2 min

EV7 Q0.7 5) Q0.4 Q1.0

TE7 5 min

6) Q1.0

TE8 1 min

7)


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5.1.4 PRODUCTO P4

EV7 EV2 EV2

MEZCLADO MEZCLADO MEZCLADO EV1 EV1 EV5 EV5

TSOLVP4 P1 TE1 TE2 TE3 TE4 TE5 TE6 TE7 TE8 TE9


TE1 5 min

EV5 Q0.5 1) Q1.3

TE2 5 min

EV1 Q0.1 2) Q0.1 Q0.5

TE3 7 min


TE4 5 min

EV2 Q0.2 4) Q1.0

TE5 5 min

EV7 Q0.7 5) Q0.2 Q0.5 Q1.0

TE6 1 min

6) Q0.2 Q1.0

TE7 2 min

7) Q1.0

TE8 15 min

8)

TE9 1 min 30 seg


13

5.1.5 PRODUCTO P5

EV7 EV3 EV3




TE1 10 min

EV5 Q0.5 1) Q1.4

TE2 3 min

EV1 Q0.1 2) Q0.1 Q0.5

TE3 12 min


TE4 8 min

EV3 Q0.3 4) Q1.0

TE5 3 min

EV7 Q0.7 5) Q0.3 Q0.5 Q1.0

TE6 12 min

6) Q0.3 Q1.0

TE7 15 min

7) Q1.0

TE8 15 min

8)

TE9 2 min 30 seg


14

5.1.6 PRODUCTO P6

EV7 EV3 EV3




TE1 20 min

EV4 Q0.4 1) Q1.5

TE2 4 min

EV2 Q0.2 2) Q0.2 Q0.4

TE3 6 min


TE4 8 min

EV3 Q0.3 4) Q1.0

TE5 4 min

EV7 Q0.7 5) Q0.3 Q0.4 Q1.0

TE6 5 min

6) Q0.3 Q1.0

TE7 15 min

7) Q1.0

TE8 15 min

8)

TE9 2 min 30 seg


15

5.1.7 PROCESO DE LAVADO

EV7 EV7 EV7

MEZCLA MEZCLA MEZCLA MEZCLA MEZCLA EV6 EV6

EV6

TAGUADESTIL P1 TE1 TE2 TE3 TE4 TE5 TE6 TE7 TE8 TE9

TE1 20 min

TAGUADESTIL Q1.2 SECUENCIA VISTA EN EL PLC

TE2 5 min

EV6 Q1.0 1) Q1.2

TE3 1 min

MEZCLA Q0.2 2) Q0.6 Q1.0

TE4 5 min

EV7 Q0.7 3) Q1.0

TE5 5 min

4) Q0.7

TE6 1 min

5) Q0.6 Q1.0

TE7 5 min

6) Q1.0

TE8 5 min

7) Q0.7

TE9 2 min

8) Q0.6 Q1.0

9) Q0.7

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5.2 TABLA DE SÍMBOLOS

ENTRADAS

SIMBOLO DIRECCIÓN COMENTARIO

P1 I0.1 PULSADOR PROCESO P1






P0 I0.0 PULSADOR PROCESO MANUAL DE LAVADO

PINICIO I0.7 PULSADOR DE INICIO

ARMADO I1.6

SALIDAS ELECTROVALVULAS Y MEZCLADO


EV1 Q0.1 QUIMICO 1

EV2 Q0.2 QUIMICO 2

EV3 Q0.3 QUIMICO 3

EV4 Q0.4 D1 SOLUCION 1

EV5 Q0.5 D2 SOLUCION 2

EV6 Q0.6 AGUA DESTILADA

EV7 Q0.7 TANQUE DE MEZCLADO

MEZCLADO Q1.0 MEZCLADO

SALIDAS INDICADORES DE TEMPERATURA EN LOS QUÍMICOS Y DISOLVENTES


TSOLP1 Q0.0 TEMPERATURA SOLVENTE P1 60 °C

TSOLP2 Q1.1 TEMPERATURA SOLVENTE P2 80°C 15 MIN

TSOLP3 Q1.2 TEMPERATURA SOLVENTE P3



SALIDAS DE LOS INDICADORES FIN DE LOTE

FINDE DE LOTE PROGRAMADO Y TANQUE MEZCLADOR LLENO


MZLLENO Q1.5 TANQUE MEZCLADOR LLENO

LOTE Q1.6 TEMPERATURA SOLVENTE P7

FINLOTEPRG Q1.7 FIN LOTE PROGRAMADO

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5.3 PROGRAMA REALIZADO EN STEP 7 MICRO/WIN

1. Código del programa principal

60

6. CONCLUSIONES

Para la implementación de un proceso automatizado se requiere un estudio riguroso de la

elaboración del producto, conociendo claramente las etapas que componen la producción y las

circunstancias mediante las cuales se puede lograr el desarrollo de sistemas tecnológicos,

logrando mejorar los tiempos y los costos de la fabricación en la medida en la que se incrementa la

calidad del producto.

El diseño eficiente de un proceso de automatización debe contar con profesionales del área que se

enteren y conozcan etapa por etapa el proceso de elaboración del producto, aportando todos los

conocimientos necesarios para desarrollar un sistema económico, preciso y seguro que satisfaga

tanto a trabajadores como a dueños.

Los sistemas automatizados deben siempre tener en cuenta la seguridad de sus operarios y de las

máquinas que intervienen en el proceso en cuestión lo cual puede evitar pérdidas de dinero y

materias primas, al igual que asegurar la integridad y la salud de los empleados, es por esto

menester el siempre tener en cuenta las protecciones usuales para circuitos y actuadores, es por

esto que no resulta excesivo el redundar con protecciones adicionales a la hora de diseñar y

generar el control y automatización de un proceso productivo.

7. ANEXOS

Se envían adjuntos el archivo del informe en formato docx y pdf, videos explicativos demostrando

el correcto funcionamiento del programa, así como el archivo de simulación para el programa

S7_200 y el archivo de STEP7 donde se realizó el diagrama ladder.

8. BIBLIOGRAFÍA

Gutiérrez H. “Automatización industrial: Teoría y Laboratorio 2da Edición”

Apuntes de clase 2013-1 Automatización Industrial Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Implementación mediante PLC Simens

Documents

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