METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE UN CONTROL …

METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE UN CONTROL AUTOMÁTICO USANDO GRAFCET EN TAREAS COORDINADAS

CAMILO ANDRÉS MARTÍNEZ ARDILA

Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico

Asesor: Ing Fernando Jiménez. Ph. D

BOGOTÁ D.C UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA 2003

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Nota de aceptación _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________ Presidente del Jurado Jurado ____________________________________ Jurado_____________________________________

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AGRADECIMIENTOS

A FERNANDO JIMÉMEZ, Profesor del Departamento de Ingeniería

Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes

A IVAN CASTILLO CONTRERAS, Estudiante de maestría de la

Universidad de los Andes.

A JHON JAIRO SOTO SÁNCHEZ, Estudiante de maestría de la

Universidad de los Andes.

A SIEMENS S.A

A La UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

A MIGUEL A. LÓPEZ, Estudiante de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de

la Universidad de los Andes

A JUAN C. CÁRDENAS, Estudiante de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

de la Universidad de los Andes

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TABLA DE CONTENIDO

Pág

1. INTRODUCCIÓN 9

2. INVESTIGACIÓN Y DOCUMENTACIÓN DEL AULA 11

2.1 INSTRUMENTOS DEL CUARTO DE MUESTRAS 11

2.2 DOCUMENTACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN 13

2.3 INDICADORES DE PRESIÓN 14

2.3.1 Transmisor de presión Siemens Sitrans P serie Z 14

2.3.2 Transmisor de presión Sitrans P serie DS III 16

2.4 INDICADORES Y TRANSMISORES DE NIVEL 20

2.4.1 Transmisor y monitoreador de nivel The Probe 20

2.4.2 Switch de nivel Pointek CLS 200 22

2.4.3 Switch ultrasónico de proximidad Sonar-Bero 26

2.5 INDICADORES Y TRANSMISORES DE TEMPERATURA 29

2.5.1 Sitrans TF: Transmisor de temperatura 29

2.6 INDICADORES Y SENSORES DE FLUJO 33

2.6.1 Sitrans FM transmisor de flujo 33

2.7 SENSORES DE PROXIMIDAD 37

2.7.1 Switch de proximidad óptico Bero 37

2.7.2 Sensor de proximidad inductivo Bero 39

2.8 CONTROLADORES ELÉCTRICO –NEUMÁTICOS 40

2.8.1 Controlador eléctrico-neumático Sipart PS2 40

3. FASE DE PROGRAMACIÓN Y DISEÑO 43

3.1 LAZOS DE CONTROL 43

3.2 LA NORMA GEMMA 44

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3.3 NUEVOS LAZOS DE CONTROL 47

3.3.1 Control de temperatura en grupo de grafos S7-HiGraph 51

4. MONTAJES Y PRUEBAS 67

4.1 SUPERVISIÓN DEL PROCESO Y DESPLIEGUES GRÁFICOS 67

4.2 PRUEBAS EN SOFTWARE S7-PLCSIM 70

5. CONCLUSIONES 76

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LISTA DE FIGURAS

Pag Figura 1. Transmisor Sitrans P serie Z 14

Figura 2. Composición del Sitrans P serie Z 15

Figura 3. Sitrans P serie DS III 16

Figura 4. Composición del Sitrans P DS III 18

Figura 5. Transmisor Milltronics, the probe 20

Figura 6. Conexiones del transmisor Milltronics 22

Figura 7. Switch Pointek 22

Figura 8. Conexiones del switch de nivel Pointek 23

Figura 9. Interruptores del Switch de nivel Pointek 24

Figura 10. Switch ultrasónico Sonar-Bero 26

Figura 11. Operación del Sonar Bero 27

Figura 12. Áreas de trabajo del Sonar Bero 28

Figura 13. Transmisor de temperatura PT 100 29

Figura 14. Conexiones en Termómetros de resistencia 30

Figura 15. Composición del sensor de temperatura 31 Figura 16. Sitrans FM 33

Figura 17. Switch de proximidad óptico Bero 37

Figura 18. Sensor inductivo Bero 39

Figura 19. Controlador eléctrico-neumático Sipart PS2 40

Figura 20. Tipos de actuadores en Sipart PS2 41

Figura 21. Secuencia de automatización en Grafcet 44

Figura 22. Norma Gemma simplificada 45

Figura 23. Norma Gemma 46

Figura 24. Configuración y vista en Step 7 del proyecto 49 Figura 25. Tabla de símbolos del proyecto 50

Figura 26. Fuentes HiGraph del proyecto 52

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Figura 27. Diagrama de tareas coordinadas en S7-HiGraph 52

Figura 28. Variables de “Control General” 53

Figura 29. “Control General” 55

Figura 30. Variables “Evacuación” 56

Figura 31. Tarea “Evacuación” 57

Figura 32. Variables de la tarea “Calentador” 58

Figura 33. Tarea “Calentador” 58

Figura 34. Variables tarea “Electroválvula” 59

Figura 35. Tarea “Electroválvula” y transición con acción 60

Figura 36. Variables “Banda Adelante” 60

Figura 37. Tarea “Banda Adelante” 62

Figura 38. Variables tarea “Banda Atrás” 62

Figura 39. Tarea “Banda Atrás” 63

Figura 40. Función FC2 64

Figura 41. OB1 del proyecto 65

Figura 42. Declaración de variables en WinCC 67

Figura 43. Despliegues gráficos en WinCC 68

Figura 44. Despliegues gráficos en WinCC 2 69

Figura 45. Simulaciones en S7-PLCSIM 70







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RESUMEN

Se espera con este trabajo exponer claramente como se puede realizar

un desarrollo de automatización desde su comienzo hasta su posible

montaje, de forma que se entienda de manera sencilla, empezando por la

fase de investigación hasta la realización de programas que tengan

aplicación, todo esto usando tecnología presente en el Showroom de

Siemens S.A y paquetes de software para automatización de Siemens

S.A (Step 7 Professional, S7-HiGraph, WinCC). Exponer las aplicaciones

que tiene este software de automatización como la programación de

autómatas programables mediante el uso de la norma Grafcet, la

supervisión en procesos y comprobar como conocimientos adquiridos

durante la carrera universitaria pueden ser aplicados a la hora de un

problema real de automatización.

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INTRODUCCIÓN Tal vez uno de los trabajos más interesantes en el área de control es el de

la automatización y el control automático, es difícil empezar en un campo

como éste, en especial cuando todo lo que se ha hecho en este tema ha

sido teórico, y encontrarse con que existe tecnología tan avanzada a la

hora de realizar las tareas de medición y actuación como sonares,

apertura de válvulas controladas, controladores automáticos de velocidad

en motores, etc.

Uno de los retos para el trabajo fue el entender el funcionamiento de cada

uno de los equipos del showroom de Siemens y realizar una investigación

del estado de los equipos presentes, asesorados por dos estudiantes de

maestría que habían trabajado en la automatización de un proceso

industrial de una industria farmacéutica reconocida, se realizó la fase de

investigación y de recopilación de información de los instrumentos

presentes en la sala.

Haciendo un seguimiento a una metodología propuesta por el grupo de

trabajo se afrontó el problema de realizar el desarrollo de automatización,

metodología que se apoya en las normas para presentación de trabajos

de este tipo y como resultado ofrece despliegues y avances en software

como solución al problema y una serie de documentos realizados durante

el trabajo.

De esta forma se dividió el trabajo de la fase investigativa en el desarrollo

de mapas de instrumentación (P&ID´S) de la sala, en la elaboración de

una tabla de instrumentos asociándolos e identificándolos con la norma

ISA-RP2.1-1978, diferenciación de salidas y entradas (preactuadores,

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actuadores, sensores) para la hora de diseñar una rutina, manejo de

entradas y salidas análogas y digitales, pruebas en el showroom con

variables digitales, estudio de las redes de comunicación presentes en la

sala y en tiempo de capacitación por parte de los ingenieros operadores

de la sala, presentes en Siemens S.A.

Al terminar con la fase investigativa se proponen nuevas formas de

trabajar con la sala de muestras y posibles lazos de control que pueden

llevar a plantear una rutina para efectuar una automatización del lugar,

cabe anotar que los instrumentos ya estaban instalados en la sala y en

ésta ya se encontraba instalado una rutina de automatización con la que

se operaba la sala, que consistía en un control de nivel.

Al haber efectuado los posibles lazos de control se decide una rutina y se

empieza la tarea de manejar el software para la programación de los

autómatas programables presentes en la sala, se trabaja con Step 7 que

es el asistente para la programación de PLC´s Siemens y se trabaja la

automatización con norma Grafcet en el paquete S7-HiGraph, obteniendo

una rutina como resultado, para así pasar a realizar despliegues de

supervisión en el programa WinCC , despliegues cuyo propósito es

manejar la sincronía y la ejecución por medio de reportes gráficos y

escritos del desarrollo de la rutina o del proceso de automatización.

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2. INVESTIGACIÓN Y DOCUMENTACIÓN DEL AULA 2.1 Instrumentos del cuarto de muestras:

En primer lugar se identificaron los siguientes instrumentos en el cuarto

de muestras de Siemens y con los cuales se realizará el trabajo de

automatización:

Número de lazo Número de Tag Descripción Señal Servicio P&ID Tubería

Tamaño Identificación

HV-001-1 Válvula de mano 1 1 1/4" AGF0101

PT-001-1 Indicador de presión 1 E 1 1 1/4" AGF0101

XC-001 FZ-001 motobomba 1 E 1 1 1/4" AGF0101

PIT-001-2 Indicador de presión 2 E 1 1" AGF0101

HV-001-2 Válvula de mano 2 1 1/2" AGF0101

FV-001 Válvula neumática 1 1 1" AGF0101

XC-001 controlador eléctrico-neumático 1 E-N 1 AGF0301

LT-001 transmisor de nivel tanque 1 E 1 AGF0201

XL-001 luz interna tanque 1 E 1 AGF0201

XK-001 Terminal ET-200 2

XK-001-2 Terminal S7-400 2

XC Coupler E 1

TIT-001 Indicador de temperatura 1 E 1

TE-001 Sensor de temperatura RTL E 1

SS-001 Arrancador Suave E 1

SC-002 Micromaster 1 2

HV-002 Válvula de mano 3 1 1 1/4" AGC0102

FZ-002 motobomba 2 E 1 1 1/4" AGC0102

FV-002 Válvula neumática 2 1 1" AGC0102

XC-002 XC-002 controlador eléctrico-neumático 2 E-N 1 AGC0302

LT-002 transmisor de nivel tanque 2 E 1

LSH-002 Indicador nivel alto tanque 2 E 1

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LSL-002 Indicador nivel bajo tanque 2 E 1

FIT-002 Indicador de flujo E 1 AGC0102

XL-002 luz interna tanque 2 E 1 AGC0202

XV-002 Electroválvula E 1 1/2" AGC0102

PIT-002 Indicador de presión 3 E 1 AGF0102

TIT-002 Indicador de temperatura 2 E 1

TE-002 Sensor de temperatura Termocupla

TZ-002 Calentador Tanque 2 E 1

YSO-003 YSO-003 sensor banda 1 (óptico) E 1

YSN-003-1 sensor banda 2 (inductivo) E 1

YSN-003-2 sensor banda 3 (inductivo) E 1

YSC-003 sensor banda 4 (óptico) E 1

XK-003-1 Terminal ET-200 2

XK-003-2 Terminal S7-315 2

SC-003 Micromaster 2 2

LA-003-1 Baliza L1 E 1



SZ-003 Motor Banda E 1

Tabla 1. Identificación de los instrumentos

La numeración se efectúa con base en la norma ISA-RP2.1-1978:

Esta numeración para la identificación de cada instrumento usa las

siguientes convenciones:

Primera letra Letras siguientes

Variable medida o inicial Función pasiva Función de salida Modificador

A Análisis Alarma

B Combustión Elección del usuario Elección del usuario Elección del usuario

C Elección del usuario Control

D Elección del usuario

E Voltaje

F Tasa de Flujo Sensor (Elemento primario)

G Elección del usuario Cristal, dispositivo de lectura

H Mano

I Corriente (Eléctrica) Indicador

J Potencia

K Tiempo Estación de control

L Nivel Luz Bajo

M Elección del usuario Medio, intermedio

N Elección del usuario Elección del usuario Elección del usuario Elección del usuario

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O Elección del usuario Orificio, restricción

P Presión (Prueba) Punto de conexión

Q Cantidad

R Radiación Grabación

S Velocidad, frecuencia Switch

T Temperatura Transmisión

U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción

V Vibración, Análisis mecánico Válvula

W Peso, fuerza Pozo

X No clasificado No clasificado No clasificado No clasificado

Y Evento, estado de presencia Relay

Z Posición, Dimensión Actuador

Tabla 2: Norma ISA-RP2.1-1978

2.2 Documentación de la instrumentación:

Se divide la lista de instrumentos entre sensores, actuadores y

preactuadores (entradas y salidas)

Con el diagrama de proceso, tubería e instrumentación (P&ID, anexo

número 1)

Tabla 3. Entradas y Salidas del aula

Entradas Preactuadores Actuadores

Número de Tag Instrumento Número de Tag Instrumento Número de Tag Instrumento

PIT-001-1 Indicador de presión 1 SS-001 Arrancador Suave FZ-001 motobomba 1

PIT-001-2 Indicador de presión 2 XC-001 controlador eléctrico-neumático 1 FV-001 Válvula neumática 1

LT-001 transmisor de nivel tanque 1 SC-002 Micromaster 1 FZ-002 motobomba 2

TIT-001 Indicador de temperatura 1 XC-002 controlador eléctrico-neumático 2 FV-002 Válvula neumática 2

FIT-002 Indicador de flujo EV-002 Electroválvula

PIT-002 Indicador de presión 3

TIT-002 Indicador de temperatura 2 SC-003 Micromaster 2 SZ-003 Motor Banda

LT-002 transmisor de nivel tanque 2 LA-001 Luz interna T1

LSH-002 Indicador nivel alto tanque 2 LA-002 Luz interna T2

LSL-002 Indicador nivel bajo tanque 2 TZ-002 Calentador T2

YSO-003 sensor banda 1 (óptico) LA-003-1 Baliza L1

YSN-003-1 Sensor banda 2 (inductivo) LA-003-2 Baliza L2

YSN-003-2 Sensor banda 3 (inductivo) LA-003-3 Baliza L3

YSC-003 sensor banda 4 (óptico)

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Para realizar un trabajo lógico es necesario comprender el funcionamiento

de cada uno de los anteriores instrumentos.

2.3 Indicadores de presión : Se encuentran instalados dos clases de indicadores de presión:

2.3.1 Transmisor de presión Siemens Sitrans P serie Z:

Figura 1. Transmisor Sitrans P serie Z

El transistor tipo 7MF15631 se emplea para medir la presión absoluta y

relativa de gases, líquidos y vapor en industria de ingeniería mecánica,

tubería de suministro, procesos industriales, etc.

Descripción funcional:

1. Siemens., Manual técnico de operación Sitrans P Serie Z, Typ 7MF1563

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El transmisor está compuesto por una célula medidora en película

delgada que a su vez está compuesta por un puente resistivo de también

película delgada en el cual la presión p medida es transferida. El voltaje

saliente de este dispositivo cerámico es amplificado y convertido a

corriente, obteniéndose una medición por amperaje. A su vez este

transmisor es alimentado por una fuente de poder UB para su operación.

El dispositivo está protegido contra interferencia de frecuencia alta por un

obturador de RF, un capacitor y un diodo.

Figura 2. Composición del Sitrans P serie Z

Datos técnicos: Entrada: Variable de presión medida y presión absoluta.

Rango de medición: El rango de medición puede variar entre 0 y 400

bares, dependiendo del número de orden del transistor.

Salida: Señal de salida de 4 a 20 mA

Carga (UB-10 V)/0,02 A

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Característica lineal de crecimiento

Precisión de medición y otras características: Error de medición (a 25°C,

Desviación característica, histéresis)

0.25% del valor final –

típicamente

Tiempo de establecimiento T99 < 0,1 s

Condiciones de ambiente:

Temperatura ambiente: -25°C a 85°C

Fuente alimentadora:

Voltaje terminal en el transmisor de 10 a 36 V DC

2.3.2 Transmisor de presión Sitrans P serie DS III:

Figura 3. Sitrans P serie DS III

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El transmisor SITRANS P2, serie DS III PA mide la presión en gases,

vapores and líquidos. Se puede usar en las aplicaciones:

-Presión

-Presión diferencial

-Nivel

-Volumen

-Flujo de volumen

-Tasa de flujo de masa


La variable de entrada o inicial Pe se introduce a una célula de medición,

en donde se encuentra un sensor de presión de Silicio, como resultado

cuatro piezo-resistencias dopadas en un circuito en forma de puente

cambian su resistencia provocando un voltaje de salida de puente

proporcional a la entrada de presión.

Este voltaje provisto es amplificado (2) y se convierte en una señal digital

(3) que se evalúa en un microprocesador (4), el bus saliente se transmite

luego de haberse corregido su linealidad y comportamiento en la

temperatura gracias al protocolo Profibus-PA. La célula de medición

posee dos memorias no volátiles, en las que almacena datos específicos

para la transmisión .(6)

2 . Siemens, Instrucciones de Servicio Sitrans P serie DS III, Transmisores

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Figura 4. Composición del Sitrans P DS III

En qué consiste el protocolo Profibus-PA3?

El protocolo Profibus (Process Field Bus) es un sistema de comunicación

abierta para ingeniería de automatización. El sufijo PA (Process

Automation) es una variante de Profibus DP (Decentral Peripheral).Toda

clase de sensores, actuadores, transformadores puede ser conectado a

una red Profibus-PA, cuya baja velocidad de transmisión hace que tenga

menos pérdidas de potencia que el propio Profibus-DP.

En un sistema de automatización es común encontrar ambos sistemas

(canales tipo PA y DP). Profibus PA establece una comunicación entre un

3 Siemens, .Sitrans P DS III PA, Series Transmitter, Operating instructions.

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maestro y los instrumentos de campo (Actuadores, preactuadores,

transmisores) bidireccional y se conecta por medio de línea de doble

cable por donde al mismo tiempo también se suple de energía eléctrica a

los componentes instalados en campo. El Sitrans P serie DS III realiza su

comunicación con el maestro por medio de la red Profibus PA que

posteriormente usará un coupler para trasladarse a comunicación tipo

Profibus DP.

Datos técnicos:

Entrada: Variable de presión medida, presión absoluta, presión diferencial, y nivel

(dependiendo de la referencia del dispositivo, el existente en el cuarto de

muestras mide presión)

Rango de medición: El rango de medición puede variar entre 0 y 400

bares, midiendo presión

Salida: Señal de salida: Bus digital profibus PA (IEC 61158-2) de 4 a 20 mA, este

bus es serial y es ideado por Siemens para realizar la comunicación

digital entre sensores, actuadores y controladores como los autómatas

PLC, utiliza una comunicación bidireccional con un protocolo de 12 Mbit/s.

Precisión de medición y otras características4: Condiciones normales de operación a 25°C

Error máximo de operación incluyendo condiciones de histéresis y

repetibilidad < 0.1%

Tiempo de respuesta: aprox. 0.2s

De –10º a 60º se puede presentar un error de medición < 0.3%


4 . Siemens, Instrucciones de Servicio Sitrans P serie DS III, Transmisores

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Display digital: –30º a 85º

Célula de medición: -40º a 85º

2.4 Indicadores y transmisores de nivel: 2.4.1 Transmisor y monitoreador de nivel The Probe

Figura 5. Transmisor Milltronics, the probe

Descripción Funcional:

The probe es un transmisor de nivel ultrasónico que está formado por un

sensor y una parte electrónica, The Probe5 actúa como un sonar al emitir

impulsos ultrasónicos desde el transductor, que al ser reflejados como

eco y ser percibidos por el mismo transductor informarán por medio del

tiempo de ida y vuelta de la onda sobre la distancia del líquido a

5. Milltronics, The probe level monitor. Instruction Manual

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visualizar, puede usarse para medir niveles de líquidos en depósitos

abiertos o cerrados.

Descripción técnica: Entrada: Variable de nivel de líquidos en depósitos abiertos o cerrados

Salida: Rango de 4 a 20 mA ajustable a nivel bajo y alto o inversamente.

Precisión de medición y otras características: Precisión: La respuesta puede llegar a variar en un 0.25% del valor real6

Resolución de medición: 3 mm

Rango de medición:

0.25 to 5 m ( 0.8 to 16.4 ft ), sólo líquidos para el modelo estándar de 24V,

marca negra.

0.25 to 8 m ( 0.8 to 26.2 ft ) modelo de rango extendido, marca verde.

Posee una memoria EEPROM que no necesita de baterías

Debe ser alimentado con una fuente de voltaje de 8 a 30 Vdc, 0.2 A

máximo.

6. Milltronics, The probe level monitor. Instruction Manual

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Figura 6. Conexiones del transmisor Milltronics

Carga máxima conectada a la salida debe ser de 750 ohm máximo

Peso del dispositivo: 1.7 Kg

Condiciones ambientales:

. Ubicación: interior / exterior

. Altitud: máx. 2000 m

. Temperatura ambiente continua: - 40 a 60°C (-40 a 140°F)

: -20°C (-5°F) con montaje metálico

. Humedad relativa: apto para aplicaciones en exterior

2.4.2 Switch de nivel Pointek CLS 200

Figura 7. Switch Pointek

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Descripción funcional: El switch de nivel Pointek CLS 2007 es capacitivo y se puede usar para

sensar tanto niveles altos y bajos de un material de un proceso específico.

Su uso se realiza de la siguiente forma, cuando el material medido llega a

un nivel alto, se incrementa la capacitancia presente en el dispositivo y

emite una alarma de nivel alto. Si por el contrario se quiere verificar la

ausencia del material medido, si esto llegara a pasar, se dispara una

alarma de nivel bajo.

Operación del dispositivo:

El siguiente es el dibujo de conexiones del dispositivo:

Figura 8. Conexiones del switch de nivel Pointek

7 .Milltronics, Pointek CLS 200 Capacitance liquids/solids

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24

Donde los potenciómetros P1 y P2 se mueven en dirección de las

manecillas del reloj en función de establecer el tipo de material del cual se

va a hacer el estudio de nivel debido a sus propiedades físicas y para

establecer el tiempo de respuesta a alarmas durante el proceso, por otro

lado leds para el conocimiento del estado, salida y si el dispositivo se

encuentra alimentado o no, bornes de alimentación con fuente ac/dc, un

grupo de relays o contactores controlados por el tercer interruptor para

definir el tipo de alarma que se da (nivel alto o bajo). Además de los

interruptores que tienen el siguiente trabajo:

Figura 9. Interruptores del Switch de nivel Pointek

Interruptor 1:

El interruptor 1 decide si el dispositivo se encuentra dispuesto para

reconocer turbulencias y cambios, si se decide que éste se encuentre

abierto es porque se desea disminuir la respuesta a este tipo de sucesos.

Interruptor 2:

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Cumple con la misma función del interruptor 1, para el interruptor 2 si se

encuentra cerrado se reconocen turbulencias y cambios con menor

sensibilidad, si se encuentra abierto, el relay de alarma tarda en emite la

señal el tiempo que se haya escogido al realizar la disposición del

potenciómetro número 1 mostrado en el dibujo de bornes del dispositivo.

Interruptor 3:

Se decide la forma de operación del dispositivo, si se desea realizar el

testigo de niveles por encima o por debajo del sensor si se encuentra en

cerrado (on) el led 2 se prenderá si el nivel se encuentra por debajo del

sensor y por el contrario cuando está abierto.

Interruptor 4:

Es el interruptor de prueba de los tiempos de respuesta escogidos por

medio del potenciómetro 1 a las señales de alarma del relay si se

encuentra cerrado (on) es porque se quiere realizar la prueba de éste

tiempo, si no el dispositivo se encuentra en modo de trabajo normal.

Interruptor 5:

Se decide el nivel de sensibilidad del sensor capacitivo, si se encuentra

cerrado se está teniendo en cuenta la máxima sensibilidad, usada para

líquidos con baja densidad o líquidos no conductivos.

Si se encuentra abierto se está usando sensibilidad mínima.

Descripción técnica: Entrada:

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Nivel de líquidos en depósitos abiertos o cerrados

Salida: Rango de 4 a 20 mA ajustable a nivel bajo y alto o inversamente

dependiendo de la disposición de los interruptores la alarma de salida

puede ser retrasada desde 1 a 60 segundos8 .

Otras características: Alimentación:

12 - 250V ac/dc

50/60 Hz

2 VA / 2 W max


Locación del dispositivo: depósito abierto o cerrado

altitud: 2000m max

Temperatura ambiente: -40 a 85°C (-40 a 185°F)

2.4.3 Switch ultrasónico de proximidad Sonar-Bero:

Figura 10. Switch ultrasónico Sonar-Bero

8. Milltronics, Pointek CLS 200 Capacitance liquids/solids

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Descripción funcional: Los sonares Bero9 sólo operan a través del aire y pueden detectar

cualquier objeto por ultrasonidos, el sonar emite pulsos ultrasónicos

cíclicamente, cuando estos se reflejan el eco se recibe y se convierte en

una señal eléctrica opera muy parecido al sensor Milltronics “the probe”,

para decidir a que distancia está el objeto basta con medir la intensidad

con la que llega el eco, y el tiempo entre la onda emitida y el eco recibido.

Figura 11. Operación del Sonar Bero

La forma del Bero Sonar hace que la onda ultrasónica que emite sea en

forma de cono formándose como condición que sólo el objeto que este en

el barrido de esa trayectoria sea detectado, el sonar también posee una

zona ciega donde por razones físicas del dispositivo no le es posible

detectar la distancia real del objeto el rango en el cual puede detectar

objetos es de 5 cm a 10 m variando según la referencia.

Los objetos a detectar pueden ser sólidos, líquidos, granulares, rugosos,

de cualquier forma con materiales transparentes o coloridos.

Descripción Técnica: Entrada: Variable de nivel de líquidos en depósitos abiertos o cerrados

9.Sonar Bero 3RG6 Ultrasonic Proximity Switches. Especificaciones

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Figura 12. Áreas de trabajo del Sonar Bero

Salida: La salida es análoga y maneja corrientes de 4 a 10 mA, 4 a 20 mA o

voltajes de 0 a 10 v dependiendo de la referencia del sonar10.

Precisión de medición y otras características: Rango de medición: dependiendo del tipo de sonar el rango estará dentro

5 cm a 10 m.

Precisión: La precisión es el error máximo permisible debido a la

diferencia entre el valor real y el valor medido y depende de tolerancias

internas en el sonar y de factores del medio como la humedad,

temperatura del ambiente, presión atmosférica.

Presión atmosférica: Entre el nivel del mar y los 3000m la velocidad del

sonido es reducida en menos del uno por ciento al emitir ondas

ultrasónicas se analizan las condiciones favorables para la propagación

del sonido.

Humedad del aire: La humedad del aire a temperaturas bajas no tiene

efecto alguno en la propagación del sonido, a temperaturas altas la

velocidad del sonido se incrementa con la humedad.

10.Sonar Bero 3RG6 Ultrasonic Proximity Switches. Especificaciones

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29

2.5 Indicadores y transmisores de temperatura: 2.5.1 Sitrans TF: Transmisor de temperatura:

Figura 13. Transmisor de temperatura PT 100

Descripción Funcional: La forma en que se mide la temperatura se realiza por dos clases de

sensores: Termómetros de resistencia o termoelementos11. Esta es una

medición análoga que luego debe ser amplificada y digitalizada por el

dispositivo. Para el caso de el dispositivo mostrado en la figura la entrada

viene de un termómetro de resistencia que dependiendo del número de

conductores puede tener la siguiente conexión:

11.Siemens. Sitrans TF, Transmitter for temperature. Instrucciones de servicio

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30

Figura 14. Conexiones en Termómetros de resistencia

La señal de medición suministrada por un transmisor de resistencia

(circuito de dos, tres o cuatro conductores) o por un termoelemento es

amplificada. La señal de tensión proporcional a la magnitud de entrada es

transformada luego en digital por un convertidor análogo/digital (1).

Estas señales llegan al microprocesador (3). En el microprocesador se

convierten en conformidad con la curva característica del sensor y otras

especificaciones del dispositivo (atenuación, temperatura ambiente, etc.).

La señal así preparada es transformada por un convertidor digital/análogo

(4) en una corriente continua independiente de la carga de 4 a 20 mA.

IEL2-2002-11-16

31

Figura 15. Composición del sensor de temperatura

Datos Técnicos:

Entrada:

Termómetro de resistencia:

Magnitud de medición: Temperatura

Tipo de entrada: Pt25 hasta Pt1000 (DIN IEC 751)

Pt25 hasta Pt1000 (JIS C 1604)

Ni25 hasta Ni1000 (DIN IEC 751)

Cu25 hasta Cu1000

Curva característica lineal con la temperatura12

Clase de circuito: Circuito de dos, tres o cuatro conductores

Termoelementos:

Magnitud de medición: Temperatura

Tipo de entrada: Tipo B, E, J, K, R, S, T (DIN IEC 584-1)

Tipo L, U (DIN 43 710)

Tipo N (BS 4937)

Tipo C, D (ASTM 988) 12.Siemens. Sitrans TF, Transmitter for temperature. Instrucciones de servicio

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32

Curva característica: lineal con la temperatura

Salida: Señal de salida: 4 a 20 mA, dos conductores

Precisión de medición y otras características: Termómetro de resistencias:

Entrada Intervalo de medición ºC

Dig. Precisión ºC

Pt25 hasta Pt500 -200 hasta +850 0.1

Pt501 hasta Pt 1000 IEC -200 hasta +350 0.1

Ni25 hasta Ni1000 -50 hasta +250 0.1

Cu25 hasta Cu1000 -50 hasta +200 0.1

Tabla 4. Entradas de termómetro de resistencias13

Termoelementos:

Entrada Intervalo de medición ºC

Dig. Precisión ºC

Tipo B + 0 hasta +1820 2

Tipo C 0 hasta +2300 2

Tipo D 0 hasta +2300 2

Tipo E -250 hasta + 900 1

Tipo J -210 hasta +1200 1

Tipo K -230 hasta +1370 1

13. Fuente Siemens. Sitrans TF, Transmitter for temperature. Instrucciones de servicio

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33

Tipo L -200 hasta + 900 1

Tipo N -200 hasta +1300 1

Tipo R 0 hasta +1750 2

Tipo S 0 hasta +1750 2

Tipo T -220 hasta + 400 1

Tipo U -200 hasta + 600 1

Tabla 5. Entradas en termoelementos14

Error en salida analógica menor que el 0,1 % del margen de medición

Influencia de la tensión de alimentación en el margen de medición y en el

punto cero hasta el 0,005 % del margen de medición V.

Condiciones del entorno:

Temperatura ambiente -40 a +85 ºC

Fuente de alimentación de 6.5 a 35 V

2.6 Indicadores y sensores de Flujo: 2.6.1 Sitrans FM transmisor de flujo:

Figura 16. Sitrans FM

14.Fuente Siemens. Sitrans TF, Transmitter for temperature. Instrucciones de servicio

IEL2-2002-11-16

34

Descripción funcional: Composición: El transmisor de flujo Sitrans FM15 se encuentra compuesto por dos

módulos, el primero puede tener dos variantes: una Intermag y otra

llamada transmag una de las dos debe estar presente en el dispositivo.

Intermag usa un campo magnético inducido en forma de pulso DC

(método PDC) para por medio de relaciones físicas y conociendo las

propiedades del líquido en movimiento tal vez la más importante

conductividad, llegar a un posible valor de velocidad del fluído

Transmag usa un campo magnético inducido en forma de pulso AC

(método PAC) para llegar al valor final.

Tanto Transmag como intermag son microprocesadores realizando el

sondeo en forma PAC o PDC y están equipados con un procesador de 16

bits y una interfase con el protocolo HART16 aunque el dispositivo puede

trabajar sin protocolo HART.

El segundo módulo es el sensor de flujo magnético como de Siemens que

debe ser usado en tuberías en donde esté presente el líquido.

Estos dos módulos pueden estar presentes en una sóla unidad (unidos en

un solo dispositivo o por aparte).

Principio de medida:

15. Siemens. Sitrans FM Intermag 1/Transmag 1. Magnetic inductive Flow Transmitter. Operating instructions 16 Protocolo HART: Protocolo de comunicación en procesos de automatización predecesor a Profibus.

IEL2-2002-11-16

35

El principio de medida para la medición en tubos cerrados está basado en

la ley de Faraday de inducción.

Cuando un líquido suficientemente conductor eléctrico es desplazado a

través de un tubo con cierta velocidad V perpendicular a una inducción

magnética B, el campo eléctrico generado será perpendicular a la

velocidad y a la inducción magnética B. La magnitud de este campo es

proporcional a la velocidad del fluído y al nivel de inducción magnética.

La relación física que describe el anterior proceso puede ser descrita por

la fórmula:

donde:

U = voltaje medido (en voltios)

K= constante

B = campo magnético inducido (en teslas)

D = Diámetro interno del tubo de medición (en metros)

V = Velocidad axial del flujo líquido (en metros/seg)

Conociendo este voltaje medido se puede llegar también a establecer

cantidades físicas como volúmenes de flujo y masa por unidad de tiempo.

Descripción técnica: Entrada:

IEL2-2002-11-16

36

Velocidad de un líquido en una tubería

Salida: 0/4 mA a 20 mA

Si se usa protocolo HART 4 a 20 mA

Máxima carga 1 Kohm

Si se usa protocolo HART 250 ohm.

Precisión de medición y otras características: Límite de error: +/- 0.5 % del valor medido más un 0.1% debido a la

conversión Análogo digital17.

Alimentación al dispositivo: Dependiendo si se usa un trans o un intermag

Si se usa un transmag la alimentación deberá

ser de 85 a 264 V AC y la frecuencia de

50/60Hz

Si se usa un intermag 18 a 30 V AC/DC o 10 a

28 V DC.

Consumo de potencia: También depende de si se usa Inter o trans

Para el primero será de 20 W y para el segundo

de 20 VA.

Usando Intermag: rango de medición: de 0.25 a 12 m/s

Mínima conductancia del medio: depende también del

sensor que esté conectado a éste pero el caso más

extremo es mínimo 3 µS/ cm.

Usando Transmag: rango de medición: de 0.25 a 12 m/s

Mínima conductancia del medio: depende también del

sensor que esté conectado a éste pero el caso más

extremo es mínimo 0.008 µS/ cm. 17. Siemens. Sitrans FM Intermag 1/Transmag 1. Magnetic inductive Flow Transmitter. Operating instructions

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37

2.7 Sensores de proximidad. 2.7.1 Switch de proximidad óptico Bero:

Figura 17. Switch de proximidad óptico Bero


Los sensores ópticos BERO18 reaccionan al cambio en la cantidad de luz

emitida por un emisor, este rayo es emitido por un diodo emisor que será

interrumpido por el la presencia de algún objeto.

La luz se evalúa en el receptor de acuerdo al tipo de Bero que se utilice:

Sensor difuso:

Parte de la luz proveniente del emisor se refleja en el objeto y llega al

receptor, dependiendo de la intensidad de luz recibida el sensor se

disparará

18. Opto Bero 3RG7 Photoelectric Proximity Switches.

IEL2-2002-11-16

38

Sensor retrorreflectivo:

La luz emitida por el emisor es dirigida por medio de un filtro de

polarización a un reflector que después de pasar por otro filtro de

polarización llega al receptor, el objeto que interrumpa la trayectoria entre

el emisor y el reflector o entre éste y el receptor disparará la alarma.

Sensor de rayo a superficie:

El sensor y el emisor están alineados de tal forma que la mayor cantidad

del pulso de luz emitida debe llegar al receptor, el receptor evalúa la luz

que llega y la separa de la luz de ambiente del lugar y de otras fuentes de

luz, cualquier interferencia en este proceso activará la alarma del sensor

Bero.

Descripción técnica: Entrada: Presencia de un objeto en rango de operación del sensor

Salida:

De 1 a 150 mA, ausencia o presencia del objeto19.

Otras características: Rango de operación: Detecta objetos hasta a 30 cm de distancia.

Voltaje de alimentación: 10 a 30 V AC.

Temperatura de operación: desde –15º a 55ºC

19. Opto Bero 3RG7 Photoelectric Proximity Switches.

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39

Tiempo de reacción a presencia de objeto: 1 ms.

2.7.2 Sensor de proximidad inductivo Bero:

Figura 18. Sensor inductivo Bero


Un campo alternante de alta frecuencia es generado en el sensor20 y

emerge. La magnitud de este campo determina el rango de

funcionamiento del dispositivo. Cuando un material que es buen

conductor se encuentra próximo a la superficie del sensor se realiza un

amortiguamiento del campo magnético. Ambos estados (amortiguado o

no amortiguado) son evaluados en el sensor y dan como resultado un

cambio en el estado final de la salida del sensor.

Descripción técnica: Entrada: 20.Bero 3RG4 Inductive Proximity Switches.

IEL2-2002-11-16

40

Presencia de un objeto en rango de operación del sensor.

Salida: 1 a 300 mA, ausencia o presencia de objeto21.

Otras características: Voltaje de alimentación: 10 a 65 VDC

Tiempo de reacción a presencia de objeto: 100 ms. 2.8 Controladores eléctrico-neumáticos: 2.8.1 Controlador eléctrico-neumático Sipart PS2

Figura 19. Controlador eléctrico-neumático Sipart PS2

Descripción funcional: 21 .Bero 3RG4 Inductive Proximity Switches.

IEL2-2002-11-16

41

El posicionador22 es usado para ajustar y controlar actuadores neumáticos

como válvulas en tuberías para procesos industriales. El controlador

opera electroneumáticamente usando aire comprimido.

Este posicionador y el actuador pueden venir por separado o juntos

dependiendo la referencia y en donde el valor actual x es la posición del

actuador en bares (presión) para actuadores lineales o apertura de

cámara (ángulo de rotación) en actuadores de rotación bajo la variable de

comando w que es la corriente actuadora o de control cuyo rango va de 4

a 20 mA.

Los actuadores neumáticos pueden ser en simple o doble acción. Para el

de simple acción se realiza una cámara que se abre o cierra en una

simple acción, para el actuador de doble acción se forman 2 cámaras de

presión. Para este caso un volumen es cerrado cuando el otro es abierto.

Figura 20. Tipos de actuadores en Sipart PS2

22. Siemens. Sipart PS2, Manual

IEL2-2002-11-16

42

El algoritmo de control que se usa para manipular los actuadores es el de

control adaptativo

Descripción técnica:

Rango de operación (actuadores de simple acción): 3 a 130 mm

Rango de ángulo de rotación (actuadores de doble acción): 30 a 100º

Presión del suministro de aire: 1.4 a 7 bar.

Tipos de actuadores:

En plástico: usar actuadores simples y doble actuadores

En metal: usar simple acción.

Tiempo de respuesta del controlador: menor o igual a 1.5 seg23

23 .Siemens. Sipart PS2, Manual

IEL2-2002-11-16

43

3. FASE DE PROGRAMACIÓN Y DISEÑO

3.1 Lazos de control: Para realizar el trabajo en el cuarto de muestras de Siemens compuesto

por los elementos anteriores en la lista he propuesto una secuencia de

automatización en la que se realiza un control on/off de la temperatura del

tanque 2 (gráfica P & ID1) y consiste en la siguiente rutina descrita en

lenguaje grafcet:

S1

S2

S3

S4

Se deposita agua en Tanque 1 todas salidas en 0

Se llega a un nivel específico

Se evacúa agua del T1 ha cia Tanque 2

Se llega a un nivel específico en T2

Se eleva temperatura interna en T2

Llegado a una temperatura específica en T2

Se notifica la llegada a la temperatura, y se evacúa el agua por electroválvula hacia la

banda, además se apaga calentador

IEL2-2002-11-16

Figura 21. Secuencia de automatización en Grafcet

Esta rutina es mejorada en un grafcet mejorado incluyend

GEMMA.

3.2 la norma GEMMA:

La norma GEMMA (Guide d’Etudes des Modes de Marche

es una norma europea y fue desarrollada por la agencia A

nationale pour le Developpement de la Production Appliqu

l’industrie), consiste en un grafo organizado que contiene

Marcha y paradas que debe poseer un proceso de automa

cualquier rutina de producción, está guía contiene los esta

transiciones y las posibles conexiones entre cada fase del

sobrellevar situaciones críticas en el mismo y dar cabida a

libre del ingeniero operario si así lo necesita el proceso pa

puedan llevar pruebas con orden o sin orden dentro de la

24. Modos de Marcha y parada. La Guía Gemma. http://www-eupm.upc.es/~esaii/assign/ai/tema_4.pdf.

Recipiente lleno

S5 Ida del recipiente por la banda

S6

Switch de final de carrera

Banda marcha hacia atrás

Se activa señal de comienzo de carrera en banda y nivel bajo en T2 inactivo

Switch de nivel bajo en T2 activo y comienzode carrera (recipiente debajo de electroválvula)

S1
S3
44

o la norma

s et d’Arrêts)24

DEPA (Agence

ée a

los estados de

tización de

dos,

proceso para

la operación

ra que se

rutina.

IEL2-2002-11-16

45

Figura 22. Norma Gemma simplificada

Parte de la premisa que un sistema de producción puede encontrarse en

tres situaciones:

-Funcionando

-Parado o en proceso de parada

-En defecto, procedimiento auxiliar que se lleva a cabo al detectar un

defecto en el funcionamiento de la producción.

A partir de este grafo se realiza la agencia realizó otra partición en cada

parte del proceso, llegando a la siguiente norma:

IEL2-2002-11-16

46

Figura 23. Norma Gemma

Grupo F. Procedimientos de funcionamiento:

F1. Producción normal. Cómo su nombre lo dice representa el

funcionamiento normal de producción de la máquina a automatizar, se

realizan tareas normales de producción.

F2.Marcha de preparación. Adecuamiento de los equipos para que se

inicie la producción.

IEL2-2002-11-16

47

F3 - Marcha de cierre. Se realiza el mantenimiento que se debe realizar

a los equipos que deben hacerse antes de la parada si así el proceso lo

necesita.

F4 - Marchas de verificación sin orden. El operario realiza un control

manual de los equipos a su disposición en el orden que él desee,

usualmente se habilita y deshabilita con una señal para dar poder al

operario de la verificación.

F5 - Marchas de verificación con orden. los equipos trabajan la rutina

completa de producción o funcionamiento en orden pero al ritmo fijado por

el operador.

F6 - Marchas de test. Se realizan para el mantenimiento y realizar

ajustes al funcionamiento en actuadores, calibración de sensores, etc.

Grupo A. Procedimiento de paradas:

A1 - Paradas en el estado inicial. estado de reposo de los equipos.

A2 - Parada solicitada al final del ciclo. Estado transitorio en que los

equipos pasan del final del ciclo al reposo del estado inicial.

A3 - Parada solicitada en un estado determinado. No coincide con el

final de ciclo. Es un estado transitorio.

A4 - Parada obtenida. reposo distinto al estado inicial.

A5 - Preparación para la puesta en marcha después de un defecto. Estado en que se realiza el mantenimiento a los equipos para el bien del

proceso después de un defecto,

IEL2-2002-11-16

48

A6 - Puesta del sistema en el estado inicial. estado predecesor del

inicial.

A7 - Puesta del sistema en un estado determinado.

Grupo D. Procedimientos de defecto

D1 - Parada de emergencia. Rutina que se lleva a cabo o tareas que se

realizan luego de que ocurre una emergencia en el sistema.

Generalmente luego de una avería grave al proceso todos los equipos

pasan al reposo que ofrece el estado inicial.

D2 - Diagnóstico y/o tratamiento de fallos. Estado en el que el operador

examina los equipos después de un fallo o defecto25.

D3 - Producción a pesar de los defectos.

3.3 Nuevos Lazos de control: Una vez conociendo los pasos que se deben seguir y el lazo de control

propuesto, se comienza a trabajar en un programa para realizar el

programa, para el caso del cuarto de muestras de Siemens se empleó el

administrador Simatic de Siemens, que contiene el paquete Step 7

Professional, S7 Graph y S7 Higraph, además de software de simulación

(S7 PLCSIM).

Para el programa que se propone se usa tanto Step 7 Professional, S7

Higraph y S7 PLCSIM

Step 7: Se declaran las variables que se van a usar en el programa, la

tabla de símbolos, se configura las redes y el hardware que existen en el 25. Modos de Marcha y parada. La Guía Gemma. http://www-eupm.upc.es/~esaii/assign/ai/tema_4.pdf

IEL2-2002-11-16

49

Showroom y se realizan funciones auxiliares que necesita el OB1 o

principal del programa:

Se usa la siguiente configuración donde se operan dos autómatas

programables, un maestro Simatic 400 y un esclavo Simatic 300 que está

a cargo de la red ASI a la que pertenecen las luces de la baliza y un

sensor de la banda.

Figura 24. Configuración y vista en Step 7 del proyecto

Se realiza la siguiente tabla de símbolos con los elementos a manejar en

la rutina propuesta anteriormente:

IEL2-2002-11-16

50

Figura 25. Tabla de símbolos del proyecto

Se usan en la anterior tabla de datos funciones como

FC2_Comparaciones donde se realiza la manipulación de las entradas

análogas y los bloques de comparación para tomar decisiones en otra

función que tiene como nombre GG_Temperatura, además se emplean

IEL2-2002-11-16

51

bloques de datos que pertenecen a GG_Temperatura26 que es una

función que no es realizada ni en lenguaje AWL, FUP o KOP sino que se

monta en un grupo de grafos en HiGraph, esta es una de las virtudes de

este programa ya que se maneja de manera diferente al lenguaje común

de programación de los autómatas programables y realiza un contacto

mucho más amigable y lógico con el ingeniero operario basado en la

norma Grafcet, además de esto se incluyen funciones SFC propias de

HiGraph para emitir diagnósticos del sistema como RDSYSST,

TIME_TCK, WR_USMSG, otras como Funciones programables que son

necesarias para el uso de HiGraph al momento de realizar compilaciones

y manejo de errores como HiGraphErrEmitterFB y HiGraphMsgEmitterFC,

además de éstas se manejan bloques de datos pertenecientes a la

función creada en HiGraph y tablas de variables (VAT) para manejar las

simulaciones y ver el estado de algunas variables de las que se desea

conocer.

3.3.1 Control de temperatura en grupo de grafos S7-HiGraph

Cuando se trabaja en HiGraph se trabaja con múltiples grafcets que

efectúan tareas coordinadas, el resultado de esto es una descomposición

en tareas, la forma en la que se puede realizar esta coordinación puede

ser de dos formas: una jerarquizada donde hay un grafcet maestro que

coordina las tareas administrándolas, gobernando los grafcets esclavos, y

la otra forma es una donde no hay jerarquización sino que los grafcets se

llaman unos a otros habiendo una trabajo coordinado pero sin jerarquía, la

forma en la que se elige trabajar el problema es en la jerarquizada ya que

proporciona un orden lógico y se puede pasar fácilmente del grafcet

común que se mostró antes en el numeral 7. Lazos de control. Para

trabajar con HiGraph es preciso instalar el paquete opcional en el

administrador profesional y una vez estando en el administrador añadir un

grupo de grafos al insertar un bloque S7. Una vez insertados todos los

26. Siemens, S7-HiGraph para S7-300 y S7-400.

IEL2-2002-11-16

52

bloques necesarios y habiendo insertado las instancias que representan

cada subtarea a coordinar (en HiGraph) el administrador simatic se ve de

la siguiente forma en la que aparecen todas las instancias y grupos de

grafos de HiGraph:

Figura 26. Fuentes HiGraph del proyecto

Al hacer doble click en temperatura no sólo se accede al mapa general de

tareas gobernadas por un grafcet central o maestro sino otra vez a

HiGraph:

Figura 27. Diagrama de tareas coordinadas en S7-HiGraph

IEL2-2002-11-16

53

En esta gráfica se aprecia el grafcet maestro (Control General) y los

grafcets esclavos que son activados por señales emitidas desde el grafcet

maestro (por ejemplo para activar la tarea de evacuación el grafcet

maestro envía una señal IM_EVACAGUA), es un sistema retroalimentado

es decir, al finalizar una subtarea o grafcet esclavo éste emite una señal

al maestro para notificar que ya terminó de ejecutar la tarea y así el

grafcet maestro habilitar otra, le es posible también al grafcet maestro en

este caso Control General activar dos o más tareas al mismo tiempo. En

la parte inferior se ven la variables con las que opera el grafcet maestro.

Control General:

Variables:

Figura 28. Variables de “Control General”

Las variables que comienzan en IM o OM son variables de entrada o

salida para activaciones de otras tareas (son internas), los parámetros

actuales son el verdadero nombre en la tabla de símbolos en Step7. Por

ejemplo al alcanzar la temperatura máxima para empezar a evacuar por la

IEL2-2002-11-16

54

electroválvula el grafcet central o control general emite dos señales

booleanas llamadas OM_TEMPT2 y OM_TT2 que en síntesis tienen el

mismo propósito pero están dirigidas a diferentes tareas (Electroválvula,

Calentador) para que inicien su trabajo.

La secuencia comienza con un estado inicial (0) en el que se inicializan en

cero todas las variables de salida para activar las subtareas, es el estado

de reposo inicial que se enuncia en la metodología Gemma como estado

A1, mientras se encuentre el programa en este estado ninguna tarea se

debe estar realizando, la secuencia se inicia al recibirse una señal de

nivel lleno en el tanque 1, “NivelT1”, una vez recibida la señal, “Control

General” activa la salida “OM_EVACAGUA” con la que inicia la rutina de

evacuación “Evacuación” y al mismo tiempo llama una función auxiliar

FC2 en la que se controla si ya se está llegando al nivel máximo del

tanque 2, una vez llegado al máximo la función FC2 emite una señal que

está contenida en “NivelT2” que hace que “Control General” deje de

evacuar y comience la tarea de calentar al activar las señales

“OM_NIVELT2” y “OM_NIVT2” con las que finaliza la tarea de evacuar y

comienza la tarea de calentar o “Calentador” esta función FC2 es otra vez

llamada porque también decide si la temperatura deseada para comenzar

la evacuación del tanque2 se ha alcanzado. Una vez alcanzado el

máximo de temperatura “TemperT2”, “Control General” emite dos señales

“OM_TEMPT2” y “OM_TT2” para iniciar la tarea de evacuación del tanque

2 “Electroválvula” y finalizar el trabajo de calentar “Calentador”

La tarea “Electroválvula” llega a su fin cuando termina el tiempo en el que

debe estar abierta y emite una señal que es entrada para “Control

General” cuyo nombre es “IM_TIMEOUT” en ese momento “Control

General” entiende que puede comenzar con la tarea de accionar la banda

hacia delante “Banda Adelante” al activar la señal “OM_TIMEOUT”.

IEL2-2002-11-16

55

Figura 29. “Control General”

Al llegar el recipiente al final de la banda el último sensor notificará a

“Control General” que la tarea “Banda Adelante” ha terminado con la

señal “IM_FINALCARRERA” y que debe comenzar a devolver el

recipiente con la tarea “Banda Atrás” al emitir la señal booleana

“OM_FINALCARRERA”, al mismo tiempo verifica con FC2 si hay todavía

líquido en el tanque 2, si todavía hay es decir “NivelBajoT2” es cero y si

se encuentra el recipiente justo debajo de la electroválvula

“IM_COMCARRERA” se vuelve a realizar la tarea de “Calentador” y se

vuelve a ejecutar las rutinas desde aquel estado, si no hay líquido en el

tanque2 y la rutina finaliza cuando el recipiente regrese al inicio de carrera

es decir justo debajo de la electroválvula.

IEL2-2002-11-16

56

En todos los estados de “Control General” se verifica si en algún momento

se llega a activar la señal de Emergencia con la que se retornará

inmediatamente al estado inicial como lo advierte la norma Gemma en el

estado “Parada de emergencia” D1, se da importancia principal a las

transiciones con mayor prioridad que son las que tienen el número 1, que

coinciden con las transiciones de emergencia. Se sobreentiende que los

estados de la rutina en la que el proceso se encuentra funcionando

normalmente representan el estado “Producción normal” o F1 en la norma

Gemma.

Evacuación:

Variables:

Figura 30. Variables “Evacuación”

La rutina para la tarea de evacuación es activada con la variable de

entrada booleana IM_EVACAGUA y termina con la variable IM_NIVELT2,

para este momento la tarea notifica a Control General el final de su

ejecución para que éste delegue a otra tarea ( Calentador) comenzar su

operación.

IEL2-2002-11-16

57

Figura 31. Tarea “Evacuación”

Comienza con un estado cero o inicial al que se acude la rutina en caso

que se active la señal de emergencia “Emergencia”, al recibir la entrada

“IM_EVACAGUA”, “Evacuación” abre la motobomba y la válvula

neumática con el siguiente criterio, tanto como las motobombas, como las

válvulas neumáticas, el sensor de presión, de flujo, los sonares de los

tanques o sensores de nivel han sido linealizados es decir se accionan

con una palabra de 16 bits que cuando vale 0 = 4 mA y cuando vale

27648 = 20 mA, nivel alto y bajo respectivamente. Entonces para el caso

de la abrir la válvula y accionar la motobomba se carga las variables

“Motobomba” y “Valve1” con el número 27648. En caso que FC2

determine que el nivel en el tanque2 ya llego al máximo “IM_NIVELT2”, la

tarea volverá a su estado inicial y de reposo.

Calentador:

Variables:

IEL2-2002-11-16

58

Figura 32. Variables de la tarea “Calentador”

Esta rutina empieza con la variable IM_NIVT2 y finaliza con IM_TT2 así

mismo necesita manejar la variable calentador para poder realizar el

aumento de temperatura el fluído en el tanque número 2.

Figura 33. Tarea “Calentador”

Se acciona el calentador al recibirse la señal “UM_NIVT2” proveniente de

“Control General” en caso de alcanzar la temperatura máxima se apaga el

calentador al devolver la rutina al estado de reposo, en caso de haber

emergencia se pasa inmediatamente al estado inicial.

Electroválvula:

IEL2-2002-11-16

59

Variables:

Figura 34. Variables tarea “Electroválvula”

La tarea electroválvula consiste en la evacuación por la electroválvula

hacia la banda y comienza con la variable IM_TEMPT2, y termina al

finalizar la evacuación por la electroválvula la forma en la que se maneja

es la apertura de la temperatura por un tiempo elegido por el programador

para llenar el recipiente en donde se evacúa el fluido.

“Electroválvula” trabaja al recibir la entrada “IM_TEMPT2” en nivel 1 y

acciona las variables “Electroválvula” y prende la luz roja de la baliza

“BalizaRojo” durante 2 segundos, para este caso llenando el recipiente

por 2 segundos, este tiempo puede ser cambiado desde HiGraph si se

desea un tiempo más largo, al terminar el tiempo o el temporizador la

transición activa la salida “OM_TIMEOUT” para notificar a “Control

General” el fin de la tarea y volver al estado inicial, ésta es una de las

ventajas en HiGraph, la posibilidad de incluir acciones en las transiciones

que se realizarán en el momento que se dispara la transición.

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60

Figura 35. Tarea “Electroválvula” y transición con acción

Banda adelante:

Variables:

Figura 36. Variables “Banda Adelante”

IEL2-2002-11-16

61

La rutina de Banda adelante se inicia al finalizar la de electroválvula,

comienza con la señal de “IM_TIMEOUT” y termina al llegar el recipiente

al extremo de la banda “OM_FINALCARRERA”.

Después de recibir la señal “IM_TIMEOUT” la rutina carga la variable

entera “Motorbanda” con el número 24580 y prende “BaliVerde” que

representa la luz verde en la baliza, el motor de la banda se maneja de la

siguiente forma cuando se carga un valor positivo hasta 27648 realizará el

movimiento hacia la derecha, en caso que se cargue con un valor

negativo hasta –27648 realizará el movimiento hacia la izquierda.

Una vez moviéndose la banda hacia delante llegará un momento en el

que el primer sensor de la banda “Sensor1” se disparará haciendo que la

rutina prenda la luz naranja en la baliza “BaliNar”, el recipiente en la

banda seguirá su curso hasta que se encuentre con el último sensor y lo

active, este sensor “Sensor4” trabaja con lógica negada, al pasar por éste

el recipiente, la rutina prenderá la luz roja de la baliza “BaliRojo” y detiene

el motor de la banda cargando la variable con un cero. Esto sucederá

durante dos segundos y a continuación la transición que parte del estado

3 al inicial activará la salida “OM_FINALCARRERA” para notificar a

“Control General” que ya no necesita mover más la banda hacia delante.

Las demás transiciones son usadas en caso de emergencia y tienen

prioridad 1.

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Figura 37. Tarea “Banda Adelante”

Banda Atrás:

Variables:

Figura 38. Variables tarea “Banda Atrás”

Banda Atrás comienza cuando termina Banda adelante

(IM_FINALCARRERA) y finaliza al regresar el recipiente al comienzo del

recorrido (OM_COMIENZOCARRERA).

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Figura 39. Tarea “Banda Atrás”

Al recibir “Banda Atrás” la señal “IM_FINALCARRERA” que notifica que el

recipiente está en el otro extremo de la banda, la rutina carga la variable

“MotorBanda” con el valor –24580 haciendo que el motor de la banda gire

al contrario de lo que venía girando en “Banda Adelante” además prende

la luz verde de la baliza “Baliverde”, el recipiente sigue su curso hasta

encontrarse de nuevo con el primer sensor de la banda, es decir se activa

la entrada “Sensor1”, a partir de este momento se prenderá la luz naranja

de la baliza “BaliNar” y el motor de la banda seguirá girando hacia el

contrario durante un segundo más que es el tiempo en el que alcanzará a

quedar justo debajo de la electroválvula. Una vez se cumple el tiempo la

transición que va del estado 2 al inicial en “Banda Atrás” activará la señal

“OM_COMIENZOCARRERA” para que “Control General” haga lo que

tenga que realizar conociendo que el recipiente está en el lugar esperado.

Función FC2:

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La función FC2 consiste en un bloque de segmentos que el autómata

programable o PLC ejecuta cuando se hace un llamado “CALL” desde

alguna otra función del programa o desde el OB1 o principal del

programa cada segmento contiene una comparación entre una variable

entera y un número, para el caso del primer segmento se revisa si el nivel

en el tanque 1 supera la altura máxima en el tanque, se realiza la misma

comparación en el segundo segmento, y para el tercero, en el cuarto se

verifica si el nivel en el tanque 2 es igual a 0 es decir no hay fluido en el

tanque 2.

Figura 40. Función FC2

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OB1:

Se realiza la llamada a la función hecha en HiGraph:

Figura 41. OB1 del proyecto

Se vio anteriormente que al inicio de cada grafo para cada tarea o rutina

había una transición que revisa que se presente la variable “INIT_SD”,

está transición recibe el nombre de Transición Any y son transiciones de

arranque que conducen al estado inicial del grafo, para llamar la función

creada en HiGraph es necesario hacer que se active la variable “INIT_SD”

sólo tan pronto se conecte el autómata es decir sólo en el primer ciclo y

que valga cero en ciclos posteriores, porque una de las características de

la transición any es que no importa el estado en el que se encuentre el

grafo si se llega a presentar la condición que tenga la transición en este

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caso “INIT_SD” igual a “1”, el sistema se dispara al estado al que conduce

la transición.

Así se genera una variable “Arranque”, temporal y booleana, que sirve de

parámetro para “INIT_SD”, en la llamada a “GG_Temperatura”.

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4. MONTAJES Y PRUEBAS

4.1 Supervisión del proceso y despliegues gráficos en WinCC: Una vez realizado el programa anterior en Step 7 y S7-HiGraph se

necesitan realizar despliegues gráficos para que en la puesta en marcha

de la secuencia se pueda realizar el proceso de supervisión de las

variables manejadas en los equipos presentes en el aula de capacitación.

La forma en la que se trabaja en WinCC es similar a la de Step7, se

realiza una tabla de símbolos con las direcciones de las variables que se

van a supervisar:

Figura 42. Declaración de variables en WinCC

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Para este caso las variables a supervisar son el nivel en el tanque 1

(Sensor Milltronics de nivel), sensor de nivel en el tanque 2 (Bero), el valor

del sitrans FM , el Sitrans P, el sensor de temperatura en el tanque 2

(PT100), el valor del movimiento del motor de la banda y de la

motobomba.

Habiendo realizado esta declaración de variables para uso en ambos

programas (Step 7 , WinCC) se realizan los despliegues gráficos para la

supervisión de las anteriores:

Figura 43. Despliegues gráficos en WinCC

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Cada testigo en amarillo o display de medición esta asociado a una

variable de la siguiente forma, y puede ser supervisado realizando

reportes y gráficas de tiempo contra valor de variable de la siguiente

forma:

Figura 44. Despliegues gráficos en WinCC 2

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De esta forma se realizan reportes y se lleva un historial del valor de la

variable en un momento determinado y se puede saber en que momento

deja de funcionar el proceso en orden y realizar una parada de

emergencia, o paradas para verificaciones.

4.2 Pruebas en software S7-PLCSIM: Para revisar el comportamiento del programa se realizaron pruebas con el

software presente en el paquete del administrador Siemens para

simulación S7-PLCSIM27, realizándose pruebas en el orden de simulación

de la rutina de automatización se llegó a los siguientes resultados:

Figura 45. Simulaciones en S7-PLCSIM

Se revisa el cumplimiento de cada una de las transiciones realizando

entradas para que el proceso reaccione en este caso se introduce una

27. Siemens. S7-PLCSIM – Test de Programme avec CPU S7 simulee – Manual.

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entrada mayor a 27648 en el sensor de nivel para que el sistema

comience a evacuar por la válvula neumática y la motobomba presentes

en el recorrido desde el tanque 1 hacia el tanque 2.


Una vez el agua superada una entrada de 27648 en el tanque 2 (nivel

mayor en el tanque 2 aproximadamente 75 cms) el sistema comienza a

calentar.

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Al cumplirse una temperatura tope el sistema evacúa por medio de la

electroválvula hacia la banda en donde llena un recipiente con el fluido.


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Una vez lleno el recipiente comienza el viaje de este por la banda,

mientras las luces de la baliza son prendidas.


Al llegar al final de la banda y devolverse verifica si todavía hay fluido en

el tanque 2, si encuentra se vuelve a realizar la rutina desde el estado 2:

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En el caso de no haber fluido en el tanque 2 la rutina vuelve a su estado

de reposo o inicial


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De esta forma se puede revisar el cumplimiento en la ejecución de las

tareas coordinadas no sólo para este programa sino para cualquiera que

sea realizado en S7-HiGraph, S7-Graph y Step 7.

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5. CONCLUSIONES

5.1 La metodología para la realización del control automático ofrece

resultados en el sentido que plantea una noción global a la hora de

resolver un problema de esta índole, no sólo basta con realizar una

ayuda en software para automatizar un proceso sino que se debe

realizar una investigación general del mismo y tener claro a lo que se

debe y puede llegar.

5.2 El objetivo de obtener gran aprendizaje durante la puesta en marcha

de este proyecto quedó cumplido, al trabajar directamente con

tecnología que se aplica para la automatización, además la práctica

de los conocimientos que se tenían antes del proyecto en el tema

fueron bastante útiles a la hora de responder, se aprendió a manejar

paquetes que un estudiante por lo general no está acostumbrado a

manejar.

5.3 Se cumplió con el objetivo de realizar un sistema de control

automático por medio de la norma Grafcet aplicada en una

distribución de tareas coordinadas. (Uso de S7 - HiGraph)

5.4 Los despliegues gráficos y el control en SCADA son útiles para

asegurar un real cumplimiento de la rutina y para descubrir posibles

errores en el funcionamiento de los instrumentos al poderse verificar

el funcionamiento de estos con reportes periódicos y al poderse

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realizar pruebas con o sin orden (dentro de la rutina) por medio del

operario.

5.5 La Metodología no termina en la realización de software para la

puesta en marcha del sistema sino que sigue al instalarse la solución,

realizarse pruebas en los equipos y estudiar el seguimiento de los

equipos cuando se ejecuta el programa para realizar validaciones.

5.6 El trabajo realizado puede tener aplicaciones en procesos de

producción o industriales donde se quiera tener un manejo parecido y

control en variables de temperatura y nivel.

5.7 Las simulaciones del programa efectuado corroboran el orden

impuesto por el programador al realizar el programa. Se solucionaron

errores de variables que podían tener un doble valor al ser manejadas

en tareas distintas.

5.8 La realización de un grafcet en tareas coordinadas es propia de

procesos complejos en donde se dispone de muchos trabajos por

hacer, colabora en el sentido de que aporta orden en la forma en que

se programa, y tiene la ventaja de que se pueden incluir nuevas

tareas y trabajos sin afectar la ejecución siempre y cuando se añadan

las tareas de forma ordenada y respetando las variables que se

manejan en otras tareas, previniendo así dobles valores en cierto

momento.

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BIBLIOGRAFÍA

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Bero. Bero 3RG4 Inductive Proximity Switches.

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parada. La Guía Gemma.

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Siemens, Instrucciones de Servicio Sitrans P serie DS III, Transmisores

Siemens., Manual técnico de operación Sitrans P Serie Z, Typ 7MF1563

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Siemens. Sitrans TF, Transmitter for temperature. Instrucciones de

servicio

Siemens. Sitrans FM Intermag 1/Transmag 1. Magnetic inductive Flow

Transmitter. Operating instructions

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Siemens, S7-HiGraph para S7-300 y S7-400.

Siemens. S7-PLCSIM – Test de Programme avec CPU S7 simulee –

Manual.

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ANEXO 2: EJEMPLO HOJAS DE DATOS DE INSTRUMENTOS CON NORMA ISA-S20-1981

METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE UN CONTROL …

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