Author Guidelines for 8 - DSpace en ESPOL

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Sistema de Monitoreo de Alarmas de desviación de Fieltro y accionamiento
de embragues electromecánicos de una Máquina de Papel.
José Cun Escobar, [email protected]
Ing. Alberto Larco, [email protected]
Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación (FIEC)
Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)
Campus Gustavo Galindo, vía Perimetral Km 30.5, Guayaquil, Ecuador
Resumen
Este proyecto de tesis radica en el diseño del sistema de monitoreo y automatización de las seguridades de una
maquina de papel, utilizando un Controlador Lógico Programable (PLC) que controlará el proceso y un Panel
Operador desde donde se realizará el seguimiento continuo de las alarmas del proceso de la fabricación de papel.
Estas herramientas son de fácil manejo para el operador y también ofrecen mucha flexibilidad ya que son
sistemas abiertos que pueden ser ajustadas en caso de que se precise reacondicionar el sistema para que realice
una nueva función o se tenga en consideración una ampliación de las seguridades y/o procesos.
El Sistema de Control está compuesto por interruptores de posición, sistema de visualización, el controlador
lógico y el programa que reside en él, todo esto da como resultado el uso de un sistema de monitoreo que puede
supervisar de manera remota el proceso en tiempo real, teniendo así un mayor control sobre incidentes durante la
producción o en paradas no programadas de la máquina.
Palabras Claves: Controlador Lógico Programable (PLC), Panel Operador, sistema de monitoreo, alarmas.
Abstract
This project of thesis takes root in the design of the system of monitoring and automation of the safeties of a
paper’s machine using a Logical Programmable Controller (PLC) that will control the process and an active panel
from where there will be realized the constant follow-up of the alarms of the process of the manufacture of paper.
These tools are of easy managing for the operator and also they offer many flexibility since they are opened
systems that can be exact in case it is needed to re-condition the system in order that it realizes a new function or
there is had in consideration an extension of the safeties and / or processes.
The Control System is composed by switches of position, system of visualization, the logical controller and the
program that resides in it, all that gives like proved the use of a system of monitoring that can supervise in a
remote way the process in real time, having a major control like that on incidents during the production or in stops
unprogrammed of the machine.
interrumpido si determinada desviación de
estos fieltros no se la detecta a tiempo, es
así que podría ocasionar daños a la materia
elaborada (bobina de papel) que hasta el
momento se haya elaborado.
1. Introducción.
Con el objetivo en común que buscan las empresas
de ofrecer un producto de alta calidad sumado al
crecimiento de las mismas y la necesidad de ser más
competitivas y seguras, el uso de la automatización se
ha convertido en factor inevitable en la elaboración de
los procesos.
El incurrir en controles de detección rápida
mediante la mediación humana provocó que los
tiempos de parada para remediar estos posibles errores
sean muy prolongados, bajo este concepto la
automatización esta diseñada con el fin de utilizar la
capacidad de los controladores para efectuar trabajos
que antes eran realizados por seres humanos teniendo
una respuesta mas rápida y que requiera menos el
contacto del personal de operación con la maquina,
esto sin duda disminuye el peligro de incurrir en algún
incidente y mejor aún, evitar al máximo un posible
accidente.
2. Necesidad del Proyecto.
El proyecto nace con la necesidad de incorporar un
sistema confiable de seguridad industrial para de esta
manera garantizar un ambiente de trabajo acorde a los
requerimientos según normas internacionales que
exigen un ambiente propicio para un desempeño
adecuado.
El proyecto pretende atender a dos áreas
consideradas de alta importancia al momento de
plantearlo como tema de seguridad industrial., estas
son:
I) La primera fase comprende el accionamiento
seguro de los embragues de la máquina, es así, que de
no recurrir a este sistema de seguridad podría darse el
caso que la persona que se encuentre realizando el
respectivo mantenimiento no tenga conocimiento que
el operador pueda realizar determinada maniobra y
ante una mala práctica de seguridad ocurra algún
accidente.
II) La segunda etapa busca tener un control efectivo
y preventivo de las posibles desviaciones del fieltro
que se presenten durante la elaboración del papel para
de esta manera cubrir dos áreas de importancia como
son:
1.
2.
Evitar que esta desviación derive en algún
daño a el o los operadores que se
encuentran realizando sus rutinas de
trabajo por no contar con una señalización
de los eventos y avisos que la máquina
genera, y;
Además de la seguridad personal se
requiere la certeza que el material que se
está elaborando llegue en buen estado al
proceso final, esto puede verse
3. Sistema de Monitoreo Actual.
Al momento en la planta industrial no cuenta con
un sistema de alarmas y seguridad de accionamientos
de embragues que es lo planteado en el desarrollo de
este proyecto de tesis.
Debido a esta problemática, si al momento se
presenta determinada desviación del fieltro, la misma
va a incurrir en largos tiempos de parada de maquina
lo que significa costos más elevados y mayor trabajo
para el personal de producción y mantenimiento de la
planta, esto da como resultado una considerable
disminución las utilidades financieras de la materia
elaborada.
Como en todo proyecto de inversión, lo que se
desea obtener es cierto beneficio por la
implementación del mismo, el desarrollo de este
proyecto se ve claramente justificado como bien se ha
detallado tanto en el ámbito financiero como en la
seguridad industrial.
4. Automatización General del Proceso.
Una vez analizados los problemas en la seguridad
de la planta y conociendo su control actual se pensó en
la automatización como solución a sus limitantes en la
detección de las desviaciones de malla y las
seguridades para trabajos en el mantenimiento de la
máquina, proponiendo lo siguiente:
La supervisión se realizará mediante el PLC
(Controlador Lógico Programable) que controlará las
desviaciones de malla alertando al personal de
operación en el caso de suceder alguna de estas
durante la elaboración de papel, además se tendrá
control sobre la maquina al momento de realizar
determinado mantenimiento mediante el uso de
selectores con llaves de distintas combinaciones, las
mismas que dividirán a la máquina en sus diferentes
áreas para que cada operador tenga la seguridad de
que no se activará su área de trabajo mientras esté
realizando sus labores.
A continuación se presenta en detalle las áreas de
operación de la máquina:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Couch
Primera Prensa
Segunda Prensa
Primer Grupo de Secadores
Segundo Grupo de Secadores
Tercer Grupo de Secadores
Clupak
8.
9.
Cuarto Grupo de Secadores
Quinto Grupo de Secadores
se tendrá el control de las áreas ya detalladas en el
caso que se desea realizar un mantenimiento, estas
operaciones serán previamente indicadas por los
operadores o jefes de área de la fábrica.
El número de entrada y salidas que utilizaremos en
todo el proceso se detallará mas adelante.
Con la ayuda del software de monitoreo WinnCC
Flexible
producto diseñado por SIEMENS, se
diseñarán pantallas de visualización, para la
inspección en línea de determinado suceso que se este
presentando en la máquina en cada paso del proceso.
Para la programación se utilizó una secuencia
lógica de arranque y parada del proceso ante una
emergencia
y
efecto se deberá considerar indicaciones
visuales y sonoras para confirmar al
personal que la activación de la máquina
está por efectuarse.
Bajo estas breves premisas procederemos a indicar
los elementos principales que actuarán en el desarrollo
de este proyecto.
5.1. Programación Interfase Hombre-Máquina
(HMI).
5.1.1. Panel OP 77B.
4.1. Arquitectura del Sistema.
A continuación se presenta en la gráfica la
disposición de la arquitectura propuesta para la
solución.
Figura 2. Panel OP 77B.
Algunas características del panel seleccionado.
Figura 1. Arquitectura del sistema automático.
1.
5. Programación.
2.
En la recopilación de datos realizado en las
instalaciones de la planta y en compañía de los jefes de
las distintas áreas que involucra la fabricación de
papel, se realizaron las siguientes consideraciones
como parte de la programación del sistema:
1.
2.
3.
El reconocimiento de las alarmas se lo
podrá realizar de dos formas: mediante el
panel operador o por efecto de un pulsador
colocado cerca del operador de la
máquina.
En el control Automático el inicio del
proceso se comanda desde el panel
operador y el PLC. El programa del PLC
realizará el control de la desviación de
forma automática del fieltro por medio de
los equipos de campo instalados.
Para el encendido total de la máquina será
necesario que todas las llaves estén
colocadas en su respectivo lugar para de
esta manera asegurar que el personal de
mantenimiento se encuentra fuera de las
áreas consideradas peligrosas al momento
de arrancar y operar la máquina, para tal
3.
4.
Panel de operador compacto para el
manejo y visualización de máquinas e
instalaciones.
Gráficos en una nueva dimensión:
pequeño e inteligente.
23 teclas de sistema, 8 teclas de función
personalizables y rotulables (4 con LED).
Pantalla gráfica LCD de 4,5", monocroma.
Dentro de las principales funciones del Panel
Operador OP 77B de SIEMENS, tenemos el Sistema
de alarmas que procesa información detallada y en
tiempo real.
•
•
•
Avisos al bit
Clases de avisos de libre elección para definir
el modo de acuse y la representación de
eventos de aviso
Historial de avisos
La selección del panel operador OP 77B se la
realizó luego de tener presente el factor funcional
como el factor económico y además siendo este panel
de uso frecuente en la planta ya que ante cualquier
incidencia se podrá cambiar el mismo (realizando la
carga del programa) por otro de iguales características
sin tener el contratiempo de que no existe en el
mercado, este es un factor muy importante en todo
desarrollo de un proyecto en el área industrial.
5.1.2. Software de ingeniería SIMATIC WinCC
Flexible.
El Software WinCC Flexible pertenece a la
homogénea familia de herramientas de ingeniería para
la configuración de paneles SIMATIC HMI,
herramienta ejecutable bajo Windows 2000/XP
Professional que permite una considerable reducción
de las tareas de configuración gracias a la reutilización
de objetos escalables y dinamizables, además posee
herramientas inteligentes para una configuración
eficiente y sencilla.
Figura 3. SIMATIC WinCC flexible.
5.1.3. Programación del OP 77B.
Después de haber realizado todos los pasos
necesarios para la instalación del Software, con la
ayuda del sistema WinCC Flexible 2005 de SIEMENS
creamos el proyecto y presentamos las pantallas de
navegación de acuerdo a la aplicación en particular
que refiere este trabajo de tesis.
Figura 5. Imagen principal.
Las pantallas principales que se utilizan para
presentar el proyecto se componen de menús de
navegación comandados por teclas funcionales
ubicadas en la parte inferior de las pantallas que
permiten al operador ir a diferentes secciones del
proceso.
Cada una de las pantallas de navegación poseen un
submenú que permite movilizarse entre ellas para
facilitar la verificación de las áreas del proceso.
Las diferentes pantallas que se utilizan poseen en la
parte inferior un botón o tecla funcional que permite el
regreso a la pantalla principal del sub-menú
seleccionado.
Las alarmas se facilitan en un histórico de alarmas
en orden cronológico de aparición, la última alarma
del proceso se presentara al final de la página.
5.2. Programación
Programable (PLC).
Controlador
Lógico
5.2.1. PLC CPU-224 / SIEMENS.
Figura 4. Estructura de Navegación.
Figura 6. PLC – CPU 224.
La programación del panel operador se realizó en
base a las necesidades de la planta y en conjunto con
el personal de mantenimiento quienes son los usuarios
finales de la aplicación.
Aquí se presenta una imagen de navegación de la
programación del panel de operación.
La Unidad Central de Procesos por sus siglas en
Ingles CPU, es el cerebro de toda la ejecución del
programa por lo tanto constituye un pilar importante
en el desarrollo de este tema de tesis. Así que la
selección del mismo es preponderante al momento de
la aplicación, por esto hemos de mostrar a
continuación la manera de seleccionar la CPU dentro
del entorno de STEP 7-Micro/WIN.
La CPU 224 es la unidad compacta de alto
rendimiento, disponible con 24 entradas/salidas
incluidas en el módulo central su alta funcionalidad le
permite ser expandible con hasta un máximo de 7
módulos de ampliación.
Este tipo de CPU se consideró en el desarrollo de
este proyecto debido a ser esta una aplicación que
necesita de una alta fiabilidad y buen rendimiento ya
que se procesan señales de seguridad industrial de
mucha importancia tanto en la producción del papel
como en la seguridad del personal.
Una ves levantada la información y considerando
todas las señales que forman parte del control del
sistema de alarmas, el listado de las señales se las
clasificó en entradas y salidas digitales debido a que
para esta aplicación no se requirieron señales
analógicas, de esta recopilación de información se
procedió a dimensionar el Controlador Lógico
Programable PLC para utilizarlo en el sistema de
automatización planteado.
A continuación en la Tabla 1 se detallan el número
de entradas y salidas digitales que se necesitaron para
la selección de tarjetas o módulos I/O´s con la
respectiva reserva que se toma para este tipo de
proyectos.
salidas digitales, tiempos de ejecución, accionamientos
de permisivos del sistema, interacción con el panel
operador, etc.
Tabla 1. Dimensionamiento del PLC
Los elementos de campo son equipos que recogen
la información desde distintos puntos de la maquina
para que el procesador de la CPU pueda actuar en
conjunto con el programa lógico desarrollado, es así
que estos elementos son de igual importancia que los
llamado PLC y OP ya que sin estos equipos la
periferia de la maquina no estaría siendo monitoreada
adecuadamente y no lograríamos el fin de este trabajo
que es el de tener un control a lo largo de la maquina
respecto a la desviación de la hoja de papel.
Aquí se enumeran algunos de los equipos utilizados
para este proyecto:
DIMENCIONAMIENTO DEL PLC
TIPO
NÚMERO
20%
TOTAL
Entradas
Digitales
40
8
48
Salidas
Digitales
15
3
18
TOTAL DE ENTRADAS/SALIDAS
64
5.2.2. Software de ingeniería STEP 7-Micro/WIN.
5.2.3. Programación del PLC.
Luego de haber realizado la instalación del
software, iniciamos la apertura del mismo desde la
pestaña creada en el escritorio de nuestro ordenador,
así el sistema STEP 7-Micro/WIN creará el proyecto y
presentará la pantalla de inicio en donde damos
apertura a la programación.
Para establecer una dirección o un valor al
controlador se asignaron las variables del proceso en
el software de ingeniería STEP 7-Micro/WIN, de igual
manera se las direccionó en el software de
programación del panel operador, esto con el fin de
que ambos equipos puedan comunicar efectivamente
los datos relacionados en el sistema aplicado para la
seguridad del proceso.
6. Equipos de campo.
•
•
•
•
•
Figura 7. Step 7 Micro/Win.
STEP 7-Micro/WIN es un lenguaje de
programación simple y fácil de aprender para el
sistema de automatización SIMATIC S7-200. Su gran
repertorio funcional permite resolver incluso las tareas
de automatización más difíciles. Su facilidad de
aprendizaje y la velocidad con que es posible
programar le hacen particularmente fácil de usar.
Herramienta necesaria para la programación del
controlador lógico programable elegido.
El software industrial STEP 7-Micro/WIN fue la
herramienta de programación que se utilizó para
realizar el programa lógico de este trabajo de tesis en
el cual se configuraron direcciones de entradas y
Interruptores de posición final de carrera,
Luces estroboscópicas,
Elemento de accionamiento con cerradura,
Relés de interfase,
Sirena 109 dB.
Los interruptores de posición transforman en
señales eléctricas las posiciones mecánicas de
elementos móviles de máquinas, estas señales indican
en tiempo real la desviación de la hoja de papel para
de esta manera prevenir un paro de producción.
Además, requerimos tener información acerca de
los elementos de accionamiento con cerradura o
llamadas “llaves de seguridad”, necesitamos obtener el
estatus de las “llaves” para lo cual necesitamos además
como parte de la programación dar un tiempo en el
que este accionamiento de la oportunidad de reacción
al operador o a otra persona el salir del área de trabajo
que corresponden a cada llave permisiva. Para
conseguir este requerimiento procedemos a temporizar
el accionamiento de la salida permisiva de la llave
correspondiente.
Por citar un ejemplo, ante el accionamiento de la
entrada digital correspondiente “KEY_COUCH”
retardaremos 35 segundos el accionamiento de la
salida digital “K_COUCH”.
Figura 8. Elementos de Campo.
7. Agradecimientos
Sería difícil poder nombrar a tantas personas que se
han constituido en base fundamental para el desarrollo
de la presente tesis, pero es necesario dejar constancia
de gratitud a todas y cada una de las personas que
influyeron positivamente en mi vida, y permitieron
que esta meta pueda cumplirse.
8. Referencias
[1] Software - SIMATIC WinCC flexible ES User’s
Manual, SIEMENS, Automation, 2004.
[2] Getting Started – Básico - Impresión de la ayuda
online 03-2004.
[3] Panel de operador OP 77B (WinCC flexible) Instrucciones de servicio.
[4] SIEMENS/SIMATIC HMI (Número de referencia
6AV6691-1DA01-0AE0) Edición 03/2004.
[5] Micro Winn Software, “Catalogs on CD”,
December 2000.
[6] WinCC Flexible 2004, Basic Training Course
Manual.
[7] Capacitación Step 7 Micro Win / 2005 SIEMENS
Colombia Bogotá 02 - Abril 2005.
9. Conclusión y resultados.
Por medio del PLC se tiene la capacidad de tener
un estado actual de todo el fieltro, de esta manera se
pueden ejecutar de forma precisa y eficiente trabajos
de chequeo de la malla resultarían inseguros para el
ser humano.
Utilizando el PLC en conjunto con un OP se tiene
un control mas efectivo de los procesos industriales,
(para este caso las seguridades de una maquina de
papel) con una considerable reducción de errores y
asegurando un producto elaborado con mayor
eficiencia.
En el proceso de la detección de fallas se debe de
tener claramente la ubicación de donde se originó para
así tener un control por sobre la revisión de toda la
maquina y prevenir un corte de hoja.
El operador desde el panel operador podrá
visualizar el mensaje correspondiente a la alarma que
al momento se encuentra activada y así podrá tomar
los correctivos necesarios para no incurrir en paradas
de máquina
Las pantallas se han diseñado con el propósito de
dar al operador un entorno más amigable para de esta
manera ofrecer una mejor visualización y
entendimiento de todo el proceso en cuanto al tema de
las seguridades.
Al realizarse mantenimiento de la maquina se debe
de mantener bloqueada la misma para que posibles
accidentes no afecten a vidas humanas, esto se logra
gracias a la implementación de las llaves de seguridad.
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