EXTENSIÓN LATACUNGA - Repositorio Digital ESPE

EXTENSIÓN LATACUNGA - Repositorio Digital ESPE
EXTENSIÓN LATACUNGA
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO
PARA EL MONITOREO Y CONTROL AUTOMÁTICO DE UN
SISTEMA DE TEMPERATURA DE UN HORNO PARA EL
LABORATORIO DE REDES INDUSTRIALES Y CONTROL DE
PROCESOS DE LA ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
EXTENSIÓN LATACUNGA”
FREDDY FABIÁN CUJI SÁNCHEZ
Tesis presentada como requisito previo a la obtención del grado
de:
INGENIERO EN ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
Año 2014
CARÁTULA
UNIVERSIDAD DE LA FUERZAS ARMADAS - ESPE
EXTENSIÓN LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E
INSTRUMENTACIÓN
DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD
Freddy Fabián Cuji Sánchez
DECLARO QUE:
El proyecto de grado denominado “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
MÓDULO DIDÁCTICO PARA EL MONITOREO Y CONTROL
AUTOMÁTICO DE UN SISTEMA DE TEMPERATURA DE UN HORNO
PARA EL LABORATORIO DE REDES INDUSTRIALES Y CONTROL DE
PROCESOS DE LA ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
EXTENSIÓN LATACUNGA”, ha sido desarrollado en base a una
investigación exhaustiva, respetando derechos intelectuales de terceros,
conforme las citas que constan el pie de las páginas correspondiente,
cuyas fuentes se incorporan en la bibliografía.
Consecuentemente este trabajo es de mi autoría.
En virtud de esta declaración, me responsabilizo del contenido, veracidad
y alcance científico del proyecto de grado en mención.
Latacunga, Enero 2014
Freddy Fabián Cuji Sánchez
ii
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE
EXTENSIÓN LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E
INSTRUMENTACIÓN
CERTIFICADO
Ing. Edwin Pruna P. (Director)
Ing. Galo Ávila R. (Codirector)
CERTIFICAN
Que el trabajo titulado “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO
DIDÁCTICO PARA EL MONITOREO Y CONTROL AUTOMÁTICO DE UN
SISTEMA DE TEMPERATURA DE UN HORNO PARA EL LABORATORIO
DE REDES INDUSTRIALES Y CONTROL DE PROCESOS DE LA
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO EXTENSIÓN LATACUNGA”,
realizado por Freddy Fabián Cuji Sánchez, ha sido guiado y revisado
periódicamente y cumple normas estatuarias establecidas por la ESPE, en el
Reglamento de Estudiantes de la Universidad de las Fuerzas ArmadasESPE.
Debido a que constituye un trabajo de excelente contenido científico que
coadyuvará a la aplicación de conocimientos y al desarrollo profesional, si
recomiendan su publicación.
El mencionado trabajo consta de un documento empastado y un disco
compacto el cual contiene los archivos en formato portátil de Acrobat (pdf).
Autorizan a Freddy Fabián Cuji Sánchez que lo entregue al Ing. José Bucheli
A., en su calidad de Director de la Carrera.
Latacunga, Enero 2014
Ing. Edwin Pruna P.
Ing. Galo Ávila R.
DIRECTOR
CODIRECTOR
iii
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE
EXTENSIÓN LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E
INSTRUMENTACIÓN
AUTORIZACIÓN
Yo, Freddy Fabián Cuji Sánchez
Autorizo a la Universidad de las Fuerzas Armadas la publicación, en la
biblioteca virtual de la Institución del trabajo “DISEÑO E
IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA EL
MONITOREO Y CONTROL AUTOMÁTICO DE UN SISTEMA DE
TEMPERATURA DE UN HORNO PARA EL LABORATORIO DE REDES
INDUSTRIALES Y CONTROL DE PROCESOS DE LA ESCUELA
POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO EXTENSIÓN LATACUNGA”, cuyo
contenido, ideas y criterios son de mi exclusiva responsabilidad y autoría.
Latacunga, Enero 2014
Freddy Fabián Cuji Sánchez
iv
DEDICATORIA
A mis padres, hermana y sobrino quienes son las personas más
importantes en mi vida por haberme acompañado en el día a día a lo
largo de la carrera, brindándome sus concejos, palabras de aliento,
motivación para alcanzar mi objetivo y ser ejemplo de superación.
Freddy
v
AGRADECIMIENTO
A Dios, por permitir que las cosas sucedan y llegar a cumplir mi meta
profesional.
A mi familia, por su apoyo incondicional y desinteresado en todo momento
que lo necesité, quienes han sido el pilar fundamental en el desarrollo de
mi vida.
A todos los señores docentes de la especialidad; que con su paciencia,
vocación y respeto han logrado transmitir sus valiosos conocimientos en
mi paso por las aulas de clases, así mismo por los grandes y valiosos
valores inculcados a través de su ejemplo, de manera especial a mis
tutores de tesis Ing. Edwin Pruna e Ing. Galo Ávila a quienes respeto y
estimo mucho, por toda su ayuda y tiempo brindado.
A mis queridos amigos y compañeros con quienes compartí muchos
momentos que marcaron y alegraron la vida estudiantil.
Freddy
vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CARÁTULA ................................................................................................. i
DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD ................................................. ii
CERTIFICADO........................................................................................... iii
AUTORIZACIÓN ........................................................................................ iv
DEDICATORIA .......................................................................................... v
AGRADECIMIENTO .................................................................................. vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS ....................................................................... vii
LISTADO DE FIGURAS ............................................................................. xi
LISTADO DE TABLAS .............................................................................. xv
RESUMEN ................................................................................................. 1
ABSTRACT ................................................................................................ 2
CAPÍTULO 1 .............................................................................................. 3
FUNDAMENTOS TEÓRICOS.................................................................... 3
1.1
Descripción del problema ............................................................. 3
1.2
Sistema de control de Temperatura .............................................. 4
1.2.1
Definiciones básicas............................................................... 4
a. Sistema...................................................................................... 4
b. Variables de entrada ................................................................. 5
b.1 Variables de control ................................................................ 5
b.2 Perturbaciones ........................................................................ 5
c.
Variables de Salida .................................................................... 6
d. Sistema de control ..................................................................... 6
e. Proceso ..................................................................................... 6
f.
1.2.2
Planta ........................................................................................ 7
Tipos de sistemas de control .................................................. 7
a. Sistemas de control en lazo abierto ........................................... 7
b. Sistemas de control de lazo cerrado ......................................... 8
vii
1.3
Modos de sistemas de control ...................................................... 9
1.3.1
Controlador de acción proporcional (P) ................................ 10
1.3.2
Controlador de acción integral (I) ......................................... 11
1.3.4
Controlador de acción proporcional y derivativa (PD) .......... 14
1.3.5
Controlador de acción PID ................................................... 15
1.3.6
Comportamiento de un controlador PID ............................... 16
1.4
Transmisores Industriales ........................................................... 19
1.4.1
Generalidades ...................................................................... 19
1.4.2
Tipos de transmisores .......................................................... 19
a. Transmisores neumáticos........................................................ 20
a.1 Características ...................................................................... 21
b. Transmisores electrónicos ....................................................... 21
c.
Transmisores inteligentes ........................................................ 22
c.1 Características ...................................................................... 22
1.4.3
Esquemas de conexión de transmisores.............................. 24
a. Transmisores a dos (2) hilos ................................................... 24
b. Transmisores a tres (3) hilos ................................................... 24
c.
Transmisores a cuatro (4) hilos ............................................... 25
1.4.4
Transmisor de temperatura Rosemount 3144P ................... 27
a. Características generales ........................................................ 27
b. Datos técnicos de funcionamiento ........................................... 28
Driver de accionamiento de triac’s .............................................. 29
1.5
1.5.1
Control por ángulo de fase ................................................... 29
1.5.2
Aplicaciones ......................................................................... 31
1.6
Controlador lógico programable .................................................. 31
1.6.1
Ventajas e inconvenientes de los PLC’s .............................. 32
1.6.2
PLC SIMATIC S7-1200 ........................................................ 33
a. Características generales ........................................................ 34
b. Comunicaciones Industriales ................................................... 35
c.
Funciones tecnológicas integradas ......................................... 37
d. Software .................................................................................. 37
viii
1.7
Pantallas touch screen HMI ........................................................ 38
1.7.1
Pantallas táctiles .................................................................. 39
1.7.2
Ventajas y desventajas ........................................................ 40
1.7.3
Terminal de operador HMI Red Lion G306A ........................ 41
a. Características generales ........................................................ 42
CAPÍTULO 2 ............................................................................................ 44
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN............................................................... 44
2.1
Especificación de requisitos del sistema..................................... 44
2.2
Diagrama de bloques y P&ID del sistema................................... 45
2.2.1
Diagrama de bloques ........................................................... 45
2.2.2
Diagrama P&ID .................................................................... 47
2.3
DIAGRAMA DE FLUJO .............................................................. 49
2.4
Programación del PLC SIEMENS S7 - 1200 .............................. 52
2.4.1
Software TIA (Totally Integrated Automation) PORTAL ....... 52
2.4.2
Creación de un proyecto ..................................................... 53
2.4.3
Programación del SIEMENS S7 – 1200 ............................... 64
2.4.4
Configuración del objeto tecnológico regulador PID............. 68
2.4.5
Configuración de una red MODBUS TCP/IP ........................ 72
2.5
Programación de la Touch Screen ............................................. 79
2.5.1
Software Crimson 3.0 ........................................................... 79
2.5.2
Requisitos de Sistema.......................................................... 80
2.5.3
Crear nuevo proyecto. .......................................................... 80
2.5.4
Configuración de una red MODBUS TCP/IP SLAVE ........... 82
2.5.5
Etiquetas y variables ............................................................ 87
2.5.6
Diseño de la Interfaz Humano Máquina HMI ........................ 88
CAPÍTULO 3 ............................................................................................ 90
RESULTADOS Y PRUEBAS EXPERIMENTALES .................................. 90
3.1
Descripción física del sistema..................................................... 90
3.2
Pruebas experimentales al sistema ............................................ 97
ix
3.3
Funcionamiento en los distintos modos de control ..................... 98
3.3.1
Control proporcional ........................................................... 100
3.3.2
Control proporcional integral .............................................. 101
3.3.3
Control proporcional derivativo ........................................... 102
3.3.4
Control proporcional integral derivativo .............................. 103
3.4
Análisis de las curvas de proceso ............................................. 104
3.4.1
Control Proporcional (P) ..................................................... 105
3.4.2
Control Proporcional Integral (PI) ....................................... 107
3.4.3
Control Proporcional Derivativo (PD) ................................. 109
3.4.4
Control Proporcional Integral Derivativo (PID) ................... 111
3.4.5
Control Proporcional Integral Derivativo (PID) con Alarmas113
3.5
Alcances y limitaciones ............................................................. 117
CAPÍTULO 4 .......................................................................................... 119
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................... 119
4.1
Conclusiones ............................................................................ 119
4.2
Recomendaciones .................................................................... 121
BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................... 122
NETGRAFÍA .......................................................................................... 123
ANEXOS ................................................................................................ 125
x
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1.1: Esquema general de un sistema ............................................. 5
Figura 1.2: Esquema general de un sistema de control ............................. 6
Figura 1.3: Diagrama de bloques de un sistema en lazo abierto ............... 7
Figura 1.4: Diagrama de bloques de un sistema en lazo cerrado .............. 9
Figura 1.5: Respuesta de un control proporcional ................................... 11
Figura 1.6: Respuesta del controlador PI ................................................. 13
Figura 1.7: Respuesta del controlador PD ............................................... 15
Figura 1.8: Respuesta de un controlador PID .......................................... 16
Figura 1.9: Acciones de los controladores. .............................................. 18
Figura 1.10: Esquemas de conexión de los transmisores. (a) Conexión a
……………..dos hilos. (b) Conexión a tres hilos.(c) Conexión a cuatro
……………..hilos...................................................................................... 26
Figura 1.11: Transmisor de temperatura Rosemount 3144P ................... 28
Figura 1.12: Control por ángulo de fase de un regulador de alterna ........ 30
Figura 1.13: Autómata S7 - 1200 ............................................................. 34
Figura 1.14: Módulos adicionales del S7 – 1200 ..................................... 36
Figura 1.15: Terminales HMI Touch screen ............................................. 39
Figura 1.16: Tecnología touch ................................................................. 40
Figura 1.17: Terminal de operador HMI Red Lion G306A ........................ 42
Figura 2.1: Diagrama de bloques del sistema .......................................... 45
Figura 2.2: Diagrama P&ID del sistema ................................................... 47
Figura 2.3: Diagrama de flujo del sistema ................................................ 50
Figura 2.4: Diagrama de flujo HMI ........................................................... 51
Figura 2.5: Totally Integrated Automation Portal ...................................... 52
Figura 2.6: Acceso al software TIA Portal ................................................ 54
Figura 2.7: Ventana principal del software TIA Portal .............................. 55
Figura 2.8: Crear nuevo proyecto ............................................................ 55
Figura 2.9: Vista de la configuración de dispositivos. .............................. 56
Figura 2.10: Selección de dispositivo ....................................................... 57
xi
Figura 2.11: S7 -1200 Módulos de expansión. ........................................ 57
Figura 2.12: Adición de módulos de expansión ....................................... 58
Figura 2.13: Transferencia de configuraciones ........................................ 59
Figura 2.14: Asignación de dirección IP al PC ......................................... 60
Figura 2.15: Asignación de dirección IP al PLC ....................................... 61
Figura 2.16: Ver estaciones accesibles ................................................... 61
Figura 2.17: Estaciones Accesibles a la interfaz PG/PC .......................... 62
Figura 2.18: Transferir configuración ....................................................... 63
Figura 2.19: Ventana de carga satisfactoria. ........................................... 63
Figura 2.20: Bloques de programa........................................................... 64
Figura 2.21: Editor de bloques. ................................................................ 65
Figura 2.22: Insertar Instrucciones........................................................... 66
Figura 2.23: Cargar programa.................................................................. 67
Figura 2.24: Finalización de la carga del programa. ................................ 67
Figura 2.25: Visualización Online............................................................. 68
Figura 2.26: Adición de bloque organizacional cíclico. ............................ 69
Figura 2.27: Agregar objeto PID .............................................................. 70
Figura 2.28: Bloque de datos para el objeto tecnológico PID. ................. 71
Figura 2.29: Edición de parámetro del objeto PID Compact. ................... 72
Figura 2.30: Activar bits de reloj............................................................... 73
Figura 2.31: Objeto tecnológico MB_CLIENT .......................................... 74
Figura 2.32: Configuración de los parámetros MB_CLIENT .................... 75
Figura 2.33: Selección de dispositivo....................................................... 80
Figura 2.34: Vista principal del software Crimson. ................................... 81
Figura 2.35: Configuración del puerto Ethernet ....................................... 83
Figura 2.36: Selección de protocolo de comunicación. ............................ 84
Figura 2.37: Configuración del driver ....................................................... 85
Figura 2.38: Agregar bloque .................................................................... 85
Figura 2.39: Selección de registros.......................................................... 86
Figura 2.40: Configuración de los bloques de datos. ............................... 86
Figura 2.41: Agregar etiquetas (tags). ..................................................... 87
xii
Figura 2.42: Diseño de la Interfaz. ........................................................... 88
Figura 2.43: Múltiples páginas de una HMI .............................................. 89
Figura 3.1: Módulo didáctico. ................................................................... 90
Figura 3.2: Horno eléctrico. ...................................................................... 91
Figura 3.3: Transmisor Rosemount 3144p ............................................... 92
Figura 3.4: PLC Siemens S7-1200 .......................................................... 92
Figura 3.5: Módulos de entradas y salidas analógicas. ........................... 93
Figura 3.6: Pantalla táctil Red Lion G306 ................................................ 94
Figura 3.7: Driver de triac’s ...................................................................... 94
Figura 3.8: Regulador de presión............................................................. 95
Figura 3.9: Acoples neumáticos. .............................................................. 95
Figura 3.10: Fuente de 24 Vdc................................................................. 96
Figura 3.11: Lámparas indicadoras.......................................................... 96
Figura 3.12: Menú principal del HMI ........................................................ 99
Figura 3.13: Modos de control ................................................................. 99
Figura 3.14: Configuración del control proporcional............................... 100
Figura 3.15: Configuración del control proporcional integral .................. 101
Figura 3.16: Configuración del control proporcional derivativo .............. 102
Figura 3.17: Configuración del control proporcional integral derivativo .. 103
Figura 3.18 Identificación de colores para las curvas de proceso.......... 104
Figura 3.19 Variables de proceso .......................................................... 105
Figura 3.20: Curva de respuesta para un control Proporcional .............. 106
Figura 3.21: Curva de respuesta de un control PI ante una perturbación…
…………….. ........................................................................................... 107
Figura 3.22: Curva de respuesta para un control PI .............................. 108
Figura 3.23: Curva de respuesta de un control PI ante una perturbación
……………... .......................................................................................... 109
Figura 3.24: Curva de respuesta para un control PD ............................. 110
Figura 3.25: Curva de respuesta de un control PD ante una perturbación
…………….. ........................................................................................... 111
Figura 3.26: Curva de respuesta para un control PID ............................ 112
xiii
Figura 3.27: Curva de respuesta de para un control PID ante una
……………..perturbación ....................................................................... 113
Figura 3.28: Activación de alarmas de niveles bajos de temperatura. ... 113
Figura 3.29: Luces piloto indicadoras de alarma.................................... 114
Figura 3.30: Activación de alarmas de niveles altos de temperatura. .... 114
Figura 3.31: Ventana de alarmas ........................................................... 115
Figura 3.32: Sistema sin alarmas activas. ............................................. 116
Figura 3.33: Ventana de históricos de eventos ...................................... 116
xiv
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1.1: Acciones básicas y combinaciones de control ........................ 10
Tabla 1.2: Comportamiento de la acciones PID ....................................... 17
Tabla 1.3: Estándares de transmisión ...................................................... 20
Tabla 2.1: Parámetros de la instrucción "MB_CLIENT" ........................... 75
Tabla 3.1: Sintonización del control P .................................................... 106
Tabla 3.2: Sintonización del control PI ................................................... 108
Tabla 3.3: Sintonización del control PD ................................................. 109
Tabla 3.4: Sintonización del control PID ................................................ 111
xv
RESUMEN
A lo largo de la historia la industria, esta se ha ido tecnificando y
evolucionando en su afán del mejoramiento continuo y con ello conseguir
mayor productividad y réditos económicos.
El presente proyecto diseñado, desarrollado e implementado en el
laboratorio de Redes Industriales y Control de Procesos proporciona a los
estudiantes la posibilidad de estar en contacto y familiarizarse con la
tecnología existente en la industria ecuatoriana, para lo cual el proyecto
brinda la posibilidad de operar un sistema de control de temperatura de un
horno, siendo la temperatura una de las cuatro variables físicas más
importantes en el ámbito de la industria, el cual es controlado por un PLC
y configurado por una TOUCH SCREEN, el control de la temperatura se lo
realiza mediante unas niquelinas que son gobernadas por un conversor
de corriente AC/AC(driver de accionamiento de triac’s) para variar la
cantidad de tensión que se entrega a las niquelinas para conseguir al
propósito.
El proyecto se lo ha dividido en cuatro capítulos: En el capítulo I,
fundamentos teóricos, conceptos básicos acerca de sistemas de control
de temperatura, modos de control de procesos, transmisores inteligentes,
controladores lógicos programables y HMI. En el Capítulo II, diseño del
control automático para el módulo didáctico de temperatura, se presenta
detalladamente las especificaciones del sistema y el diseño de los
programas tanto del PLC como de la TOUCH SCREEN. En el capítulo III,
se muestra los resultados obtenidos de cada uno de los modos de control
expuestos en este proyecto. Finalmente en el capítulo IV, se exponen las
conclusiones y recomendaciones recopiladas a lo largo de la ejecución
del proyecto, las mismas que podrán aportar al desarrollo de trabajos
similares.
1
ABSTRACT
Throughout the history of the industry, this has gone professionalism and
evolves in an effort of continuous improvement and thereby achieves
greater productivity and economic returns. This project designed,
developed and implemented in the Industrial Networks and Process
Control’s laboratory provides students the possibility to be in contact and
familiarize yourself with the existing technology in the Ecuadorian
industries, for which the project provides the possibility of operating an
oven’s temperature control system, temperature being one of the four
most important physical variables in the industry
field, which one is
controlled by a PLC and configured by a TOUCH SCREEN, the
temperature control is performed by some niccolites those are governed
by an AC/AC converter (triac's driver) to vary amount of voltage supplied
to the niccolites to achieve the purpose.
The project has been divided into four chapters: Chapter I, theoretical
foundations, basic concepts about temperature control systems, process
controls, smart transmitters, programmable logic controls and HMI.
Chapter II design of the automatic control for the temperature teaching
module, presents in detail the specifications of the system and the design
of both the TOUCH SCREEN and PLC programs. Chapter III shows the
results obtained for each of the modes of control exposed in this project.
Finally chapter IV presents conclusions and recommendations collected
during the execution of the project, which will contribute to the
development of similar works.
2
CAPÍTULO 1
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1 Descripción del problema
El desarrollo del presente proyecto permitirá dotar y equipar al Laboratorio
de Redes Industriales y Control de Procesos de la Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga, de un módulo didáctico de
un proceso de temperatura, el mismo que contribuirá a un mejor
aprendizaje de las futuras generaciones de estudiantes de Ingeniería
Electrónica.
El problema radica en el aumento continuo de estudiantes de la carrera
de Ingeniería Electrónica e Instrumentación y la necesidad de los mismos
de aplicar los conocimientos recibidos en sus clases. Problema que se
vuelve más evidente a la hora de realizar las prácticas en el laboratorio de
Redes Industriales y Control de Procesos, ya que no existe el número
suficiente de Módulos Didácticos que satisfaga la demanda del
estudiantado, además muchos de los Módulos Didácticos ya tienen
muchos años de servicio, razón por la cual, ciertas prestaciones de los
mismos se hallan limitadas, impidiendo o retrasando el desarrollo de
nuevo conocimiento, haciendo evidente la implementación de nuevos
módulos didácticos que posean nuevas tecnologías que vayan a la par
con el avance y requerimientos del ámbito industrial.
La implementación del módulo didáctico representa la solución ante esta
necesidad, ya que estaría equipado con instrumentos y tecnología nueva,
acorde con las demandas del mundo actual, permitiendo a sus usuarios
estar mejor capacitados, llevando a los estudiantes de la carrera de
Ingeniería en Electrónica e Instrumentación de la Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga a un nivel más competitivo.
3
1.2 Sistema de control de Temperatura
Los sistemas de control tienen como finalidad mantener estable la variable
controlada, en este caso la temperatura, en un valor deseado. Como se
podría mantener, la temperatura en un Horno para el tratamiento de algún
mineral o sustancia en ciertas aplicaciones como una refinería, o como se
podría implementar un control de un sistema de calefacción. Es aquí
donde entran a relucir los controles que rigen el comportamiento de la
temperatura.
Un sistema de control de temperatura, obtiene la temperatura del
ambiente a medir mediante un sensor, y esta señal es tratada, ya sea
digital o análogamente. Y luego pasa a un sistema de control el cual
activa, desactiva, aumenta o disminuye el sistema que estará encargado
de mantener la temperatura. Por ejemplo, en el caso de un horno, si la
temperatura es mayor, disminuirá la potencia del horno, y si es demasiado
bajo aumentara esta.
1.2.1 Definiciones básicas
a. Sistema
Un sistema es un conjunto de partes o elementos organizados y
relacionados que interactúan entre sí para lograr un objetivo. Los sistemas
reciben (entrada) datos, energía o materia del ambiente y proveen (salida)
información, energía o materia.
4
Figura 1.1: Esquema general de un sistema1
b. Variables de entrada
Son variables del sistema tales que la modificación de sus magnitudes
pone en marcha, detienen el proceso o simplemente condicionan el
funcionamiento del mismo.
Las acciones externas al sistema se dividen en dos grupos, variables de
control y perturbaciones.
b.1 Variables de control
Son variables que se pueden manipular para cambiar las condiciones del
proceso.
b.2 Perturbaciones
Variables ajenas al sistema que pueden influir en su funcionamiento. Es
un cambio no deseado en algún factor que pueda afectar adversamente a
la variable de proceso y al desarrollo del mismo. Si la perturbación se
genera dentro del sistema, se le denomina perturbación interna, caso
contrario la perturbación es externa.
1
http://gabriellacayo.wordpress.com/2013/06/21/sistemas-de-control/
5
c. Variables de Salida
Variables del sistema de interés que se desea analizar, medir y controlar.
Son el efecto producido por el sistema.
Figura 1.2: Esquema general de un sistema de control2
d. Sistema de control
Un sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la
presencia de una serie de elementos que permiten influir en el
funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es
conseguir, mediante la manipulación de las variables de control, un
dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos
valores prefijados (consigna).
e. Proceso
Es el desarrollo neutral de un acontecimiento, caracterizado por una serie
de eventos o cambios graduales, progresivamente continuos y que
tienden a un resultado final.
2
http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3330/5/34059-5.pdf
6
f.
Planta
Conjunto de piezas de una maquinaria que tiene por objetivo realizar
cierta actividad en conjunto. En sistemas de control, por planta se
entiende el sistema que se quiere controlar.
1.2.2 Tipos de sistemas de control
Los sistemas de regulación se pueden clasificar en:
Sistemas de bucle o lazo abierto: son aquellos en los que la acción de
control es independiente de la salida.
Sistemas de bucle o lazo cerrado: son aquellos en los que la acción de
control depende en cierto modo de la salida.
a. Sistemas de control en lazo abierto
Un sistema de control de lazo abierto es aquél en el que la señal de salida
no influye sobre la señal de entrada. La exactitud de estos sistemas
depende de su calibración, de manera que al calibrar se establece una
relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la
exactitud deseada. El sistema se controla bien directamente, o bien
mediante un transductor y un actuador, como se muestra en la figura 1.3:
Figura 1.3: Diagrama de bloques de un sistema en lazo abierto3
3
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~23005153/d_tecnologia/bajables/2%20bachillerato/
SISTEMAS%20AUTOMATICOS%20DE%20CONTROL.pdf
7
Como se observa los sistemas de lazo abierto dependen de la variable
tiempo y la salida no depende de la entrada. El principal inconveniente
que presentan los sistemas de lazo abierto es que son extremadamente
sensibles a las perturbaciones. Por ejemplo si en una habitación se ha
conseguido una temperatura idónea y se abre una puerta o ventana
(perturbación) entraría aire frío, de manera que el tiempo necesario para
obtener dicha temperatura sería diferente.
b. Sistemas de control de lazo cerrado
Si en un sistema en lazo abierto existen perturbaciones, no se obtiene
siempre la variable de salida deseada. Conviene, por tanto, utilizar un
sistema en el que haya una relación entre la salida y la entrada. Un
sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que la acción de control
es, en cierto modo, dependiente de la salida.
La señal de salida influye en la entrada. Para esto es necesario que la
entrada sea modificada en cada instante en función de la salida. Esto se
consigue por medio de lo que se conoce como realimentación o
retroalimentación (feedback). La realimentación es la propiedad de un
sistema en lazo cerrado por la cual la salida (o cualquier otra variable del
sistema que esté controlada) se compara con la entrada del sistema (o
una de sus entradas), de manera que la acción de control se establezca
como una función de ambas.
Por lo tanto se puede definir también los sistemas de control en lazo
cerrado como aquellos sistemas en los que existe una realimentación de
la señal de salida, de manera que ésta ejerce un efecto sobre la acción de
control.
8
Figura 1.4: Diagrama de bloques de un sistema en lazo cerrado
En este esquema se observa cómo la salida es realimentada hacia la
entrada. Ambas se comparan y la diferencia que existe entre la entrada,
que es la señal de referencia o consigna (señal de mando), y el valor de la
salida (señal realimentada) se conoce como error o señal de error. La
señal que entrega el controlador se llama señal de control o manipulada y
la entregada por la salida, señal controlada. El error, o diferencia entre los
valores de la entrada y de la salida, actúa sobre los elementos de control
en el sentido de reducirse a cero y llevar la salida a su valor correcto. Se
intenta que el sistema siga siempre a la señal de consigna.
1.3 Modos de sistemas de control
Antiguamente el control de los procesos industriales se llevaba a cabo de
manera manual: el propio operario realizaba los cambios adecuados en el
sistema para obtener los resultados finales deseados. Hoy en día, muchas
aplicaciones automáticas utilizan el computador como elemento de
control.
El controlador constituye el elemento fundamental en un sistema de
control, pues determina el comportamiento del bucle, ya que condiciona la
acción del elemento actuador en función del error obtenido. La forma en
9
que el regulador genera la señal de control se denomina acción de
control. Algunas de estas acciones se conocen como acciones básicas de
control, mientras que otras se pueden presentar como combinaciones de
las acciones básicas.
Tabla 1.1: Acciones básicas y combinaciones de control
1.3.1 Controlador de acción proporcional (P)
La señal de accionamiento es proporcional a la señal de error del sistema.
Si la señal de error es grande, el valor de la variable regulada es grande y
si la señal de error del sistema es pequeña, el valor de la variable
regulada es también pequeña. Es el más simple de todos los tipos de
control y consiste simplemente en amplificar la señal de error antes de
aplicarla a la planta o proceso.
El control se reduce a una variable real, denominada Kp que determinará
el nivel de amplificación de la señal de control. En un control proporcional
se tendrá;
(Ec. 1.1)
Llamando y(t) a la señal de salida (salida del controlador), kp a la
constante proporcional y e(t) a la señal de error (entrada al controlador).
10
Figura 1.5: Respuesta de un control proporcional
Una propiedad importante del controlador P es que como resultado de la
rígida relación entre la señal de error del sistema y la variable regulada
siempre queda alguna señal de error del sistema. El controlador P no
puede compensar esta señal de error remanente (permanente) del
sistema (error de OFFSET).
1.3.2 Controlador de acción integral (I)
La señal de salida varía en función de la desviación y del tiempo en que
se mantiene la misma, o dicho de otra manera, el valor de la acción de
11
control es proporcional a la integral de la señal de error. Esto implica que
mientras que en la señal proporcional no influía el tiempo, sino que la
salida únicamente variaba en función de las modificaciones de la señal de
error, en este tipo de control la acción varía según la desviación de la
salida y el tiempo durante el que esta desviación se mantiene. La salida
de este controlador es:
∫
(Ec. 1.2)
y(t)= Salida integral.
e(t) = Error (diferencia entre medición y SP).
SP (punto de consigna)
Ki = Constante integral
1.3.3 Controlador de acción proporcional e integral (PI)
En la práctica no existen controladores que tengan sólo acción integral
sino que llevan combinada una acción proporcional. Estas dos acciones
se complementan. La primera en actuar es la acción proporcional
(instantáneamente) mientras que la integral actúa durante un intervalo de
tiempo.
Así y por medio de la acción integral se elimina la desviación remanente
(proporcional). La salida del bloque de control PI responde a la ecuación:
∫
(Ec. 1.3)
∫
(Ec. 1.4)
Que también se puede expresar como:
12
Donde Kp y Ti
son parámetros ajustables del sistema. A Ti
se le
denomina tiempo integral y controla la acción integral del sistema,
mientras que Kp controla ambas.
Si Ti es muy grande la pendiente de la rampa, correspondiente al efecto
integral será pequeña y, por tanto, el efecto de esta acción suave, y
viceversa.
Figura 1.6: Respuesta del controlador PI
13
Como se observa en la figura 1.6, la respuesta del controlador PI es la
suma de las respuestas de un controlador proporcional y un controlador
integral lo que proporciona una respuesta instantánea al producirse la
correspondiente señal de error provocada por el control proporcional y un
posterior control integral que se encargará de extinguir totalmente la señal
de error.
1.3.4 Controlador de acción proporcional y derivativa (PD)
Esta acción, al igual que la integral, no se emplea sola, sino que va unida
a la acción proporcional (PD). En el control proporcional y derivativo PD,
la salida del bloque de control responde a la siguiente ecuación:
(Ec. 1.5)
Que también se puede expresar como:
(Ec. 1.6)
Donde Kp y Td son parámetros ajustables del sistema. A Td se le
denomina tiempo derivativo o de adelanto y controla la acción derivativa
del sistema (es una medida de la rapidez con que compensa un
controlador PD un cambio en la variable regulada, comparado con un
controlador P puro), mientras que Kp controla ambas acciones.
14
Figura 1.7: Respuesta del controlador PD
1.3.5 Controlador de acción PID
Aprovecha las características de los tres reguladores anteriores, de forma,
que si la señal de error varía lentamente en el tiempo, predomina la
acción proporcional e integral y, si la señal de error varía rápidamente,
predomina la acción derivativa.
Tiene la ventaja de tener una respuesta más rápida y una inmediata
compensación de la señal de error en el caso de cambios o
perturbaciones.
Tiene como desventaja que el bucle de regulación es más propenso a
oscilar y los ajustes son más difíciles de realizar. La salida del regulador
viene dada por la siguiente ecuación:
15
∫
(Ec. 1.7)
∫
(Ec. 1.8)
Que se puede expresar como:
La respuesta en el tiempo de este tipo de control se muestra en la figura
1.8:
Figura 1.8: Respuesta de un controlador PID
1.3.6 Comportamiento de un controlador PID
El controlador PID combina en un único controlador la mejor característica
de estabilidad del controlador PD con la ausencia de error en estado
estacionario del controlador PI.
16
La adicción de la acción integral a un controlador PD es esencialmente lo
mismo que añadir dicha acción a un controlador P. La tabla 1.2 muestra
cómo varían la estabilidad, la velocidad y el error en estado estacionario
cuando se modifican los parámetros del controlador.
Tabla 1.2: Comportamiento de la acciones PID
En la parte izquierda de la figura 1.9 se puede ver cómo responden las
tres acciones del regulador y a la derecha ejemplos de la respuesta que
se consigue con la acción P solamente o combinando varias acciones.
Los puntos de la gráfica del error se obtienen restando la señal de
consigna y la de realimentación. La acción P es igual al error pero
amplificado o atenuado dependiendo de la constante Kp.
La acción I aumenta mientras el error es positivo y disminuye cuando es
negativo (se va sumando el área por encima de cero y se va restando el
área negativa), tendrá un máximo o un mínimo cada vez que el error se
anula y se comprueba que al estabilizarse mantiene un valor no nulo.
La acción D no actúa sobre el error sino sobre la realimentación. Si actúa
solamente la acción P y su constante Kp es pequeña se mantiene un error
considerable porque a medida que el error disminuye también decrece la
acción P hasta que llega un momento en el que no puede vencer la
17
tendencia del proceso. Con acción P y la constante grande disminuye el
error pero se acentúan las oscilaciones, pudiendo llegar a inestabilizar el
proceso.
La acción integral no se utiliza nunca sola porque origina oscilaciones
muy grandes que hacen fácilmente al sistema inestable, pero combinada
con la acción P es muy indicada para procesos autorregulables, siendo la
mayoría de los industriales de este tipo.
Cuando la acción P ya no es capaz por sí sola de anular el error, la acción
integral estará ayudando gracias al error acumulado y en unas pocas
oscilaciones el error será prácticamente nulo. Si Kp y Ti son adecuados
para el proceso las oscilaciones serán mínimas.
Figura 1.9: Acciones de los controladores.
En los procesos en los que la acción D no sea perjudicial, la combinación
de las tres acciones aportará una respuesta rápida que además alcanza
el régimen de equilibrio en poco tiempo.
18
Observando las gráficas de la figura 1.9 de las acciones integral y
derivativa se comprueba que tienen igual signo pero como la acción
derivativa se resta, hace que disminuyan las oscilaciones que causa la
acción integral.
Puesto que la acción D se estabiliza con valor 0, la combinación de
ambas mantiene un valor que no es nulo, lo que demuestra que la acción
derivativa contribuye a eliminar las oscilaciones de la acción integral sin
impedir que se anule el error.
1.4 Transmisores Industriales
1.4.1 Generalidades
Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la
transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador,
controlador o combinación de estos. Existen varios tipos de señales
de transmisión:
neumáticas,
electrónicas,
digitales,
hidráulicas
y
telemétricas.
Se conoce como transmisor en el campo de la instrumentación y control al
conjunto acondicionador de señal, en caso integrado al sensor y en otros
como un dispositivo independiente conectado al sensor mediante
conductores eléctricos, caños, etc.
1.4.2 Tipos de transmisores
Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas,
digitales, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria
son las tres primeras, las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente
cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas se
19
emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el
transmisor y el receptor.
Tabla 1.3: Estándares de transmisión
Rango
Unidades
Naturaleza
Observación
4 – 20
mA
Eléctrico
Más Utilizado
1–5
Volts
Eléctrico
Distancias cortas
3 – 15
psig
Neumático
Muy utilizado
20 – 100
kPag
Neumático
Poco convencional
0,2 – 1
kg/cm2
Neumático
Más Utilizado
a. Transmisores neumáticos
Se fundamentan en el principio que cumple el sistema tobera obturador
que consiste en un tubo con un suministro constante de presión no
superior a los 25 Psi que pasa por una restricción que reduce el diámetro
alrededor de 0.1 mm y que en su otro extremo se torna en forma de
tobera
con un diámetro de 0.25 - 0.5 mm que está expuesto a
la atmósfera ocasionando un escape que es regulado por un obturador el
cual cumple la misión de controlar el escape proporcional a la separación
entre él y la tobera.
La función de la tobera - obturador es que a medida que la lámina
obturadora disminuya o aumente la distancia hacia la tobera ocasionara
un efecto inversamente proporcional sobre la presión interna que es
intermedia entre la presión atmosférica y la de suministro e igual a la
20
señal de salida del transmisor que para la tobera totalmente cerrada
equivale a 15 Psi y totalmente abierta a 3 Psi.
a.1 Características
Los transmisores neumáticos presentan las siguientes características:

Un consumo de aire más bajo para el caudal nulo de salida.

Un caudal mayor de salida hacia el receptor.

Una zona muerta de presiones de salida.

Son de equilibrio de fuerzas.

Son de acción directa.
b. Transmisores electrónicos
Desde la introducción de los instrumentos electrónicos hace décadas, ha
habido un enorme avance en el diseño de sensores y transductores de
presión electrónicos. Este avance ha venido sobre todo del campo
aeroespacial. Otra razón está en el desarrollo de los semiconductores,
circuitos impresos, etc.
Muchos sensores electrónicos incorporan elementos que transforman la
energía mecánica en energía eléctrica. Generalmente son más precisos y
de más rápida respuesta que los mecánicos. Esto se debe en parte a la
precisión de los circuitos electrónicos y en parte a los pequeñísimos
movimientos que se necesitan en los elementos elásticos para obtener el
cambio eléctrico.
Generalmente utilizan el equilibrio de fuerzas, el desequilibrio da lugar a
una variación de posición relativa, excitando un transductor de
21
desplazamiento tal como un detector de inductancia o un transformador
diferencial. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos
detectores alimenta una unidad magnética y es así como se complementa
un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma
proporcional al intervalo de la variable en proceso. Su precisión es de 0.5
- 1% en una salida estándar de 4-20mA.
c. Transmisores inteligentes
Son
transmisores
que
incorporan
circuitería
digital
basada
en
microprocesador, que para el procesamiento de la señal proveniente del
sensor utiliza software en lugar de hardware, existen diversos tipos de
estos pero la diferencia principal consiste en el mecanismo que utilizan
para la transmisión de la señal.
En este tipo de transmisor la variable de proceso es transmitida
digitalmente y codificada de acuerdo a un protocolo de comunicación ya
sea estándar o del propio fabricante del transmisor.
c.1 Características
 Capacidad para operar en cualquier rango válido de medición. Los
rangos de medición son configurables por software por el propio
usuario, tanto en forma local (a través de un terminal manual portátil)
como en forma remota.
 La posibilidad del cambio del rango de medición sin necesidad de
recalibrar el instrumento disminuye los tiempos de parada del
proceso.
22
 Dependiendo de la variable medida, pueden ser utilizados para
operar con una gran cantidad de sensores sin necesidad de cambios
en el hardware del transmisor.
 Excelente exactitud, la cual es típicamente mejor a ±0,05% del
alcance calibrado.
 Excelente estabilidad debido a que no se requieren cambios o ajustes
en el hardware para configurar el rango de medición y no poseen
dispositivos sujetos a deriva en el tiempo.
 Compensación de las no linealidades del sensor.
 Capacidad de auto-diagnóstico que le permite la identificación y el
reporte (vía comunicación digital) de fallas tanto a nivel del sensor
como del transmisor.
 En general, la velocidad de respuesta de un transmisor digital es más
lenta que la de un transmisor analógico, Por otra parte, cuando varios
transmisores comparten un mismo bus de comunicaciones se debe
hacer un barrido a cada uno de ellos; el tiempo de barrido completo
de todos los transmisores aumenta con el número de transmisores.
En una gran cantidad de aplicaciones estos tiempos de respuesta son
despreciables; sin embargo, en algunos lazos de control los
transmisores pueden tener una velocidad de respuesta tan lenta que
pueda afectar la estabilidad del lazo de control. Es por ello que éste
es un parámetro que debe ser considerado al momento de la
selección del tipo de transmisor a utilizar.
 Al igual que los transmisores analógicos, pueden disponer de
aislamiento de la entrada con la salida, y también cuentan con
protección contra picos y cambios transitorios de voltaje y corriente.
23
 La señal transmitida tiene un mayor alcance que en el caso de los
transmisores analógicos (en algunos modelos puede llegar hasta 10
km).
1.4.3 Esquemas de conexión de transmisores
En cuanto al esquema de conexión de la salida y la fuente de
alimentación del transmisor, existen tres tipos de transmisores: a dos
hilos, a tres hilos y a cuatro hilos (ver Figura 1.10).
a. Transmisores a dos (2) hilos
En este caso, la fuente de alimentación está conectada a la misma salida
del transmisor (ver Fig10.1 (a)). Los transmisores a dos hilos se
caracterizan porque tienen un bajo consumo de potencia (inferior a 50
mW) y la salida sigue el estándar de lazo de corriente de 4 a 20 mA.
La gran ventaja de los transmisores a dos hilos es que requieren menos
cableado que los de 4 hilos, porque la alimentación y la señal de salida
comparten el mismo par de cables, y adicionalmente consumen menos
potencia. Igualmente los transmisores a dos hilos cuestan generalmente
menos que los transmisores a 4 hilos.
b. Transmisores a tres (3) hilos
Cuando el transmisor consume mayor potencia que la que puede ser
suplida a través del propio lazo de corriente de salida, el transmisor debe
utilizar un tercer hilo justamente para llevar esa corriente extra que le
permita funcionar. Se debe entonces utilizar un esquema de conexión a
tres o cuatro hilos (ver Figura 1.10 (b)).
24
En el esquema de conexión a tres hilos, una señal común es utilizada
entre la fuente de alimentación y el lazo de transmisión analógico. En este
esquema de conexión la fuente de alimentación debe ser CD al igual que
la señal transmitida. En el esquema de conexión a tres hilos puede existir
aislamiento eléctrico entre la señal de entrada y la de salida, y/o la
fuente de alimentación (entrada aislada).
c. Transmisores a cuatro (4) hilos
Los transmisores a cuatro hilos utilizan dos cables para la conexión de la
fuente de alimentación, la cual es usualmente de 120 Vca, y dos cables
para transmitir la señal (ver Figura 1.10(c)).
En el esquema de conexión a cuatro hilos puede existir un aislamiento
eléctrico total entre la señal de entrada, la de salida y la fuente de
alimentación. En este caso se dice que el transmisor puede tener
cualquiera de las siguientes combinaciones: entrada aislada, salida
aislada, alimentación aislada y totalmente aislado.
Las normas internacionales también catalogan a los transmisores de
acuerdo a la máxima impedancia del lazo que deben estar en capacidad
de soportar como mínimo para ciertos voltajes de alimentación de la
fuente.
25
Figura 1.10: Esquemas de conexión de los transmisores. (a)
Conexión a dos hilos. (b) Conexión a tres hilos.(c) Conexión a cuatro
hilos4.
4
http://htmlimg2.scribdassets.com/3uu9ezala812jfb9/images/22-79693f534b.jpg
26
1.4.4 Transmisor de temperatura Rosemount 3144P
El transmisor de temperatura de un solo punto Rosemount 3144P líder en
el sector de la instrumentación proporciona fiabilidad in situ insuperable y
soluciones innovadoras para los procesos de medición.
Una amplia variedad de capacidades de diagnóstico que aumenta la
fiabilidad de la medición y proporciona visibilidad de las condiciones del
proceso, ya que los componentes electrónicos están completamente
encapsulados en resina epoxi y encajados en una carcasa de metal,
haciendo que el transmisor sea muy resistente y duradero a la vez que le
permite la fiabilidad a largo plazo.
Los componentes electrónicos están completamente encapsulados en
resina epoxi y encajados en una carcasa de metal, haciendo que el
transmisor sea muy resistente y duradero a la vez que le permite la
fiabilidad a largo plazo
a. Características generales
 Precisión y estabilidad superiores
 Capacidad para un solo sensor o para doble sensor con entradas para
sensores universales (RTD, T/C, mV, ohmios)
 Amplia variedad de diagnósticos de procesos y sensores
 Certificación de seguridad IEC 61508
 Carcasa de compartimento doble
 Pantalla LCD grande
 Protocolos HART/4-20 mA o Foundation fieldbus
27
Figura 1.11: Transmisor de temperatura Rosemount 3144P
b. Datos técnicos de funcionamiento
 Entradas seleccionables por el usuario.
 Dispositivo de 2 hilos con 4–20 mA/HART, lineal con la temperatura o
con la entrada, salida completamente digital con comunicación
mediante FOUNDATION fieldbus.
 Aislamiento de entrada/salida a 500Vcc (500 Vrms cresta de 707V) a
50/60Hz.
 Limite de humedad del 0 al 99% de humedad relativa.
 Tiempo de actualización aproximadamente 0,5 segundos para un solo
sensor (1 segundo para sensores duales).
 Estabilidad de ±0,1% de la lectura ó 0,1 °C, la que sea mayor, durante
24 meses.
 Estabilidad de ±0,25% de la lectura ó 0,25 °C, la que sea mayor,
durante 5 años.
28
1.5 Driver de accionamiento de triac’s
El driver de accionamiento de triacs, es básicamente un conversor AC/AC
cuyo ángulo de disparo es gobernado por una señal analógica estándar
de corriente de 4 – 20 mA, 4mA para un ángulo de disparo de 180⁰, es
decir, cero de potencia entregada a la carga y 20mA para un ángulo de
disparo de 0⁰ en el cual se transfiere el 100% de la potencia hacia la
carga.
Los controladores AC/AC tienen como finalidad suministrar tensión y
corriente alterna a partir de una fuente de corriente alterna. Su operación
se basa en la conexión y desconexión a intervalos regulares de la fuente
sobre la carga.
Este convertidor está conformado por semiconductores de potencia que
controlan la conexión de la fuente en cada semi ciclo de la señal de
corriente alterna de la red.
1.5.1 Control por ángulo de fase
Uno de los métodos más comunes para variar el valor eficaz de una
tensión alterna es por medio del llamado control por ángulo de fase, en el
cual, dado un semiciclo de la red, el interruptor se acciona o dispara en un
determinado ángulo, haciendo que la carga esté conectada a la entrada
por un intervalo de tiempo menor o igual a un semiciclo. Dicho de otro
modo, el control por ángulo de fase, como su propio nombre indica, está
basado en la regulación del ángulo de disparo de los tiristores.
Usualmente se habla de ángulo de disparo, o ángulo de fase α, como el
instante de tiempo (expresado en grados) a partir del paso por cero de la
tensión de entrada en el que se dispara un tiristor. Para el caso de una
carga resistiva, el ángulo de disparo puede valer entre 0º y 180º.
29
Los valores de tensión, corriente y potencia en la carga dependerán, no
solo del ángulo de disparo, como también del tipo de carga alimentada.
La figura 1.12 muestra el circuito y las formas de onda de un regulador de
tensión CA con control por ángulo de fase y carga resistiva. La abertura
del SCR se dará en el momento en que la corriente cae por debajo de la
corriente de mantenimiento del componente. Lógicamente las formas de
onda de tensión y corriente en la carga son las mismas, si bien con
distintas escalas.
Figura 1.12: Control por ángulo de fase de un regulador de alterna5
5
http://tec.upc.es/el/TEMA-6%20EP%20(v1).pdf
30
En función del ángulo de disparo α, la tensión eficaz de salida puede
variarse desde 0 (α = π) hasta el valor máximo de la tensión de entrada (α
= 0), siempre y cuando la carga sea puramente resistiva.
1.5.2 Aplicaciones
Las aplicaciones más comunes de éste tipo de reguladores son:
 Calentamiento industrial (control de temperatura);
 Control de intensidad luminosa en lámparas incandescentes;
 Accionamiento de motores de CA;
 Arranque suave de motores de inducción;
 Compensación de energía reactiva
 Control de transformadores
1.6 Controlador lógico programable
Un controlador lógico programable (PLC), es un dispositivo operado
digitalmente, que usa una memoria para el almacenamiento interno de
instrucciones con el fin de implementar funciones específicas, tales como
lógica, secuenciación, registro y control de tiempos, conteo y operaciones
aritméticas, para controlar a través de entradas/salidas digitales o
analógicas, varios tipos de máquinas o procesos.
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y
computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los
modernos sistemas de control distribuido.
31
Entre las ventajas del uso de los PLC’s se tiene: menor tiempo de
elaboración de proyectos, posibilidad de añadir modificaciones sin costo
añadido en otros componentes, mínimo espacio de ocupación, menor
costo de mano de obra, mantenimiento económico, posibilidad de
gobernar varias máquinas con el mismo autómata, menor tiempo de
puesta en funcionamiento, si el autómata queda pequeño para el proceso
industrial puede seguir siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas
de producción.
1.6.1 Ventajas e inconvenientes de los PLC’s
Entre las ventajas se tiene:
 Menor tiempo de elaboración de proyectos.
 Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros
componentes.
 Mínimo espacio de ocupación.
 Menor costo de mano de obra.
 Mantenimiento económico.
 Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata.
 Menor tiempo de puesta en funcionamiento.
 Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial puede seguir
siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción.
Y entre los inconvenientes:
 Adiestramiento de técnicos.
32
 El costo inicial de lo que implica automatizar una tarea con un PLC es
muy elevado.
 Centraliza el proceso.
1.6.2 PLC SIMATIC S7-1200
El nuevo controlador SIMATIC S7-1200 es modular, compacto y de
aplicación versátil: una inversión segura, idónea para una completa gama
de elementos tecnológicos potentes e integrados hacen de este
controlador
un
componente
clave
en
soluciones
completas
de
automatización.
La CPU incorpora un microprocesador, una fuente de alimentación
integrada, circuitos de entrada y salida, PROFINET integrado, E/S de
control de movimiento de alta velocidad y entradas analógicas
incorporadas, todo ello en una carcasa compacta, conformando así un
potente controlador.
Una vez cargado el programa en la CPU, ésta contiene la lógica necesaria
para vigilar y controlar los dispositivos de la aplicación.
La CPU vigila las entradas y cambia el estado de las salidas según la
lógica del programa de usuario, que puede incluir lógica booleana,
instrucciones de contaje y temporización, funciones matemáticas
complejas, así como comunicación con otros dispositivos inteligentes.
33
Figura 1.13: Autómata S7 - 12006
① Conector de corriente
② Ranura para Memory Card (debajo de la tapa superior)
③ Conectores extraíbles para el cableado de usuario (detrás de las tapas)
④ LEDs de estado para las E/S integradas
⑤ Conector PROFINET (en el lado inferior de la CPU)
a. Características generales
El Simatic S7-1200 ofrece a los profesionales de la instalación un amplio
abanico de características técnicas entre las cuales cabe destacar las
siguientes:
6
http://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documents/s712
00EasyBook0411.pdf
34
 Alta capacidad de procesamiento. Cálculo de 64 bits
 Interfaz Ethernet / PROFINET integrado
 Entradas analógicas integradas
 Bloques de función para control de ejes conforme a PLCopen
 Programación mediante la herramienta de software STEP 7 Basic v11
para la configuración y programación no sólo del S7-1200, sino de
manera integrada los paneles de la gama Simatic Basic Panels.
El nuevo sistema S7-1200 desarrollado viene equipado con tres modelos
diferentes de CPU (CPU 1211C, CPU 1212C y CPU 1214C) que se
podrán expandir a las necesidades y requerimientos de las máquinas.
Un Signal Board puede añadirse en la parte frontal de cualquiera de las
CPUs de manera que se pueden expandir fácilmente las señales digitales
y analógicas sin afectar al tamaño físico del controlador.
A la derecha de la CPU pueden colocarse los módulos de ampliación de
E/S digitales y analógicos.
La CPU 1212C está capacitada para aceptar hasta dos módulos y la CPU
1214C hasta un total de ocho módulos de señal.
b. Comunicaciones Industriales
Todas las CPUs Simatic S7-1200 pueden equiparse hasta con tres
Communication Modules a la izquierda del controlador, lo que permite una
comunicación sin discontinuidades, de entre las que destacan:
35
 Industrial Ethernet/PROFINET, La interfaz PROFINET integrada
garantiza una comunicación con el sistema de ingeniería STEP 7
Basic integrado y con PROFINET IO devices. Esta interfaz permite la
programación y la comunicación con los Basic Panels para la
visualización, con controladores adicionales de otros fabricantes.
 Los protocolos abiertos de Ethernet TCP/IP native e ISO-onTCP hacen posible la conexión y la comunicación con varios equipos
de otros fabricantes.
 PROFIBUS DP. Los nuevos módulos PROFIBUS MASTER (CP12435) y PROFIBUS Slave (CP1242-5) permiten la integración en la
automatización estándar.
Figura 1.14: Módulos adicionales del S7 – 12007
① Módulo de comunicación (CM), procesador de comunicaciones (CP) o
TS Adapter
7
http://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documents/s712
00EasyBook0411.pdf
36
② CPU
③ Signal Board (SB) o placa de comunicación (CB)
④ Módulo de señales (SM)
c. Funciones tecnológicas integradas
 Entradas de alta velocidad para contaje y medición
 Salidas de alta velocidad para regulación de velocidad, posición y
punto de operación.
 Bloques de función para control de movimiento confirme a PLCopen
 Funcionalidad PID para lazos de regulación
d. Software
El sistema de ingeniería totalmente integrado Simatic Step 7 Basic on
Simatic WinCC Basic está orientado a la tarea de automatización, es
inteligente y ofrece editores intuitivos y táctiles de usar para una
configuración eficiente de Simatic HMI Basic Panels.
Simatic Step 7 Basic se inspira en un marco común de ingeniería para la
configuración de componentes hardware y red, esquemas de diagnóstico
y mucho más. La funcionalidad de este sistema es el elemento central que
otorga esta gran potencia a la interacción de controlador y HMI.
STEP 7 proporciona un entorno de fácil manejo para programar la lógica
del controlador, configurar la visualización de HMI y definir la
comunicación por red. Para aumentar la productividad, STEP 7 ofrece dos
vistas diferentes del proyecto, a saber: Distintos portales orientados a
37
tareas y organizados según las funciones de las herramientas (vista del
portal) o una vista orientada a los elementos del proyecto (vista del
proyecto).
El usuario puede seleccionar la vista que considere más apropiada para
trabajar eficientemente. Con un solo clic es posible cambiar entre la vista
del portal y la vista del proyecto.
1.7 Pantallas touch screen HMI
HMI significa “Human Machine Interface”, es decir es el dispositivo o
sistema que permite el interfaz entre la persona y la máquina.
Tradicionalmente estos sistemas consistían en paneles compuestos por
indicadores y comandos, tales como luces pilotos, indicadores digitales y
análogos,
registradores,
pulsadores,
selectores
y
otros
que
se
interconectaban con la máquina o proceso.
En la actualidad, dado que las máquinas y procesos en general están
implementadas con controladores y otros dispositivos electrónicos que
dejan disponibles puertas de comunicación, es posible contar con
sistemas de HMI bastantes más poderosos y eficaces, además de permitir
una conexión más sencilla y económica con el proceso o máquinas.
Una terminal de operador consistente en un dispositivo, generalmente
construido para ser instalado en ambientes agresivos, donde pueden ser
solamente de despliegues numéricos, o alfanuméricos o gráficos. Pueden
ser además con pantalla sensible al tacto (touch screen).
38
Figura 1.15: Terminales HMI Touch screen8
1.7.1 Pantallas táctiles
Cada vez es más necesaria una buena comunicación Humano-Máquina
(HMI), y una de las formas de mejorar dicha interacción es mediante
sensores táctiles.
La iconografía es un método muy utilizado por los fabricantes de software,
ya que permite una excelente comprensión por parte de cualquier usuario
sin necesidad de tener conocimientos informáticos.
Los sensores táctiles sustituyen los teclados en la mayoría de
aplicaciones ya que funciona como un ratón y además permiten diseñar
un teclado virtual en pantalla.
8
http://cfnewsads.thomasnet.com/images/large/029/29428.jpg
39
Todos los sensores táctiles, también conocidos como “touch screen”
funcionan basados en el mismo principio: medir coordenadas mediante
alteración de flujo.
Figura 1.16: Tecnología touch9
1.7.2 Ventajas y desventajas
Ventajas:
 Funcionamiento estable con una respuesta rápida.
 Asequibles por el tipo de construcción.
 El polvo o agua no afectan su funcionamiento.
 Tratamiento antirreflejos.
9
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7c/TouchScreen_5wires.svg/540pxTouchScreen_5wires.svg.png
40
Desventajas:
 Suelen provocar una pérdida de brillo de un 25%.
 Frágiles al contacto con objetos afilados o ambientes agresivos.
 Con el tiempo es necesario recalibrar.
1.7.3 Terminal de operador HMI Red Lion G306A
La interfaz de operador G306A combina capacidades únicas normalmente
esperadas de unidades de mayor capacidad, pero con un precio más
razonable.
La unidad está construida sobre una base de gran rendimiento con
funcionalidades integradas. Esta base permite al G306A ejecutar varias
de las características normales del rango Paradigma de las interfaces de
operador mientras se mejoran y agregan nuevas características.
El G306A es capaz de comunicarse con varios modelos diferentes de
hardware mediante el uso de puertos de comunicación de gran velocidad
RS232/422/485 y puertos de comunicaciones vía Ethernet 10 Base T/100
Base-TX. Adicionalmente el G306A posee un puerto USB para descargas
rápidas de archivos de configuración y accesos a tendencias y datos.
Un socket de CompactFlash es proporcionado para que las tarjetas Flash
puedan ser empleadas para juntar toda su información sobre preferencias
y datos, como también archivos de configuración de gran tamaño.
Adicionalmente para acceder y controlar el dispositivo desde fuentes
externas, el G306A permite a un usuario visualizar e ingresar información
fácilmente. Los usuarios pueden ingresar datos a través de la touch
screen y/o desde el panel frontal de 5 botones.
41
Figura 1.17: Terminal de operador HMI Red Lion G306A10
a. Características generales
 Configurado a través del Software CRIMSON® (Versión BUILD 424 o
superior.)
 Soporta hasta 5 puertos de comunicación de la serie RS232/422/485(2 RS-232 AND 1 RS-422/485 ON BOARD, 1 RS-232 y 1
RS422/485 en tarjetas de comunicación opcionales)
 Puerto base Ethernet T/100 base-tx para unidades de red y páginas
web locales.
10
http://www.basc.cl/descargas/redlion2_0.pdf
42
 Puerto usb para descargar la configuración de la unidad desde un PC
o desde un data transfer a un PC.
 La configuración de la unidad está guardada en una memoria no
volátil de 8 MBYTE FLASH.
 Socket para COMPACTFLASH® para incrementar la capacidad de
memoria.
 5.7 pulgadas TFT matriz activa de 256 COLOR QVGA 320 X 240
PIXEL LCD
 5 botones KEYPAD para menús en pantalla.
 Indicadores led en la parte frontal del panel.
 Fuente de poder de 24 VDC ±20% SUPPLY
 TOUCHSCREEN
43
CAPÍTULO 2
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN
2.1 Especificación de requisitos del sistema
La implementación del módulo requerirá de la instalación, conexión y
configuración de dispositivos de control, instrumentación y visualización
entre otros, con la finalidad de integrar un sistema de lazo cerrado que
sea capaz de controlar de manera autónoma un proceso de temperatura
de un horno, para dicho propósito se utilizará un PLC, el cual recibirá
información analógica de la variable del proceso proveniente de un
transmisor de temperatura, el PLC procesa la información de acuerdo al
modo de control configurado y envía señales de control a un driver de
accionamiento de triac’s, el mismo que regulará la potencia eléctrica que
será entregada hacia las niquelinas del horno y de este modo mantener
control sobre la temperatura del horno.
Además será posible visualizar las variables de proceso y monitorear el
sistema de la estación de temperatura en una terminal de operador HMI
touch screen, que contendrá una interfaz humano máquina de
configuración de los modos de control, sintonización y monitoreo del
sistema.
Adicionalmente a las funciones de control, el PLC debe ser capaz de
realizar la gestión de comunicación e intercambio de datos entre la HMI
touch screen y el PLC.
La interfaz HMI proporcionará monitoreo del proceso
de forma
permanente, teniendo en cuenta ciertos requerimientos de una HMI, tales
como: visualización de alarmas, registro de datos de proceso, interfaz
intuitiva y amigable ofreciendo la mayor facilidad al ser manipulada por el
operador o usuario.
44
2.2 Diagrama de bloques y P&ID del sistema
2.2.1 Diagrama de bloques
La figura 2.1 muestra la ilustración del sistema de control de temperatura
de un horno, funcionando en lazo cerrado.
Figura 2.1: Diagrama de bloques del sistema
45
HMI.- Hace referencia a la Interfaz Humano Máquina (Red Lion G306), a
través de la cual el usuario podrá configurar los modos de control para el
funcionamiento del sistema, establecer el valor de consigna deseado (set
point), monitorear las variables del proceso, entre otras.
PLC.- Representa la Unidad de Control de Lógica Programable, Siemens
S7-1200, elemento primordial del sistema, encargado de realizar las
funciones de control de lazo cerrado y gestionar las comunicaciones con
la HMI.
I/O ANALÓGICO.- Es un módulo de expansión de señales de entradas y
salidas analógicas, mismo que proporciona un vínculo de comunicación
de las señales de campo desde y hacia el PLC, para que pueda acceder a
la información de las variables del sistema.
CONVERSOR.- Representado por un módulo de accionamiento de triac’s,
que controla la cantidad de potencia entregada hacia el elemento final de
control, para dicho propósito emplea un control de fase directo, conocido
como conversor AC/AC.
ECF.- Elemento de Control Final, constituido por el arreglo de niquelinas,
elementos capaces de alterar el valor de la variable de interés (Variable
controlada).
PROCESO.- Representa el horno, el lugar donde se desea controlar la
temperatura, mediante el empleo de niquelinas.
TRANSDUCTOR.- RTD PT 100, dispositivo que permite la medición de
una variable física, puesto que transforma la energía calórica en energía
eléctrica (variación de resistencia eléctrica).
TX.- Es la representación de un Transmisor, instrumento que capta la
variable del proceso y la transmite a distancia mediante una señal
estándar de corriente para que pueda ser entendida por un controlador,
indicador, registrador, etc.
46
2.2.2 Diagrama P&ID
La figura 2.2 muestra el diagrama de instrumentación del módulo
didáctico, el mismo que está basado en el diagrama P&ID original de la
estación de temperatura LAB-VOLT 3504-M2 pero añadiendo las
respectivas modificaciones del diseño actual.
Figura 2.2: Diagrama P&ID del sistema
47
HORNO.- La estación cuenta con un horno eléctrico de cocina a
niquelinas de 1200 W, el cual ha sido adecuado internamente, para poder
ser accionado con una tensión proporcional a la señal de control del PLC.
AS.- Alimentación de aire comprimido, para enfriamiento del sistema e
ingreso de perturbación al mismo.
ES.- Alimentación de energía eléctrica de corriente alterna de 110 VCA,
para alimentar los elementos de potencia que lo constituyen tantos las
niquelinas, como el accionamiento de triac’s.
REGULADORES DE PRESIÓN (PR – 1, PR - 2).- Son válvulas
reguladoras de presión de vueltas múltiples, que regulan el aire que
ingresa tanto como flujo constante para ventilación del horno, y el aire
adicional que será la perturbación del sistema.
TE - 100.- Elemento primario de medición de temperatura, constituido por
una RTD PT 100 de cuatro hilos, la cual se ubica dentro del horno, es
decir, en el campo del proceso.
TIT - 100.- Transmisor indicador de temperatura, transmisor smart
Rosemount 3144p, transmite la información de la temperatura a la que se
encuentra hacia el controlador, de la misma forma se lo encuentra en el
campo. El mismo posee sus protecciones para operar normalmente en el
sitio de trabajo sin que le afecten condiciones externas.
TC – 100.- Controlador de todo el sistema de temperatura del horno, PLC
SIEMENS S7 – 1200, el mismo que además debe administrar la
comunicación con una terminal de operador tipo touch panel, este
dispositivo se halla ubicado sobre el panel de control.
TIR – 100.- Es un registrador indicador de temperatura, conformado por
una terminal de operador touch panel RED LION G306, la cual permite
configurar los modos de control para el sistema, así como ingresar valores
de consigna, monitorear las variables del proceso y visualizar registros; de
48
la misma forma se halla ubicado sobre el panel de control, accesible al
operador.
EC – 100.- Controlador de tensión, lo constituye un driver de
accionamiento de triac’s de 120 Vac 50 A, que regula la tensión entregada
a las niquelinas y de manera indirecta la potencia, este equipo de
encuentra ubicado en la parte posterior al panel de control, en una
ubicación secundaria, la misma a la que podría accederse si se
necesitara.
TZ – 100.- Elemento final de control de temperatura, hace referencia a las
niquelinas acondicionadas del horno, elemento que puede cambiar la
magnitud en cuestión dentro del sistema, ubicado en el campo en el
interior del horno.
2.3 DIAGRAMA DE FLUJO
La figura 2.3 muestra de manera clara y concisa el flujograma del
funcionamiento y las tareas que se ejecutan para que se llegue a obtener
el control del sistema de temperatura de un horno.
Mientras que la figura 2.4 muestra el diagrama de flujo de las operaciones
que se ejecutan en la terminal de operador touch panel, para la
configuración de los modos de control y sus constantes, visualización de
los históricos, ingreso de la consigna e intercambio de datos con el
controlador.
49
Figura 2.3: Diagrama de flujo del sistema
50
Figura 2.4: Diagrama de flujo HMI
51
2.4 Programación del PLC SIEMENS S7 - 1200
En la siguiente sección se va a documentar una guía de iniciación para
aprender a desenvolverse, paso a paso, por el entorno de programación
del S7-1200. El TIA PORTAL (Totally Integrated Automation), es la
herramienta en la que se va a configurar, administrar y programar el PLC
compacto S7-1200 de forma rápida y sencilla.
La herramienta es bastante intuitiva y amigable con el usuario, lo que
demuestra que el software ha ganado mucho en sencillez.
2.4.1 Software TIA (Totally Integrated Automation) PORTAL
Un
software
común
de
ingeniería
para
todas
sus
tareas
automatización.
Figura 2.5: Totally Integrated Automation Portal11
11
http://www.automation.siemens.com/salesmaterialas/brochure/es/brochure_tia_portal_es.pdf
52
de
Con el Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) Siemens pone en
práctica su visión de ofrecer un marco común de ingeniería que permite
implantar soluciones de automatización en todos los sectores del mundo.
Desde la etapa de diseño, puesta en marcha, operación y mantenimiento,
hasta la actualización de soluciones de automatización, el uso del TIA
Portal implica siempre un ahorro de tiempo, costos y esfuerzos.
Dentro del TIA Portal, SIMATIC STEP 7 es el software que permite
configurar, programar, revisar y diagnosticar todos los controladores
SIMATIC. Gracias a una serie de funciones de fácil manejo SIMATIC
STEP 7 garantiza un ahorro de gastos considerable en todos los procesos
de automatización.
Características:
 Programación simbólica
 Editores inteligentes de alto rendimiento
 Innovación en los lenguajes de programación
 Tareas de movimiento integradas
 Trazado
 Diagnóstico
 Descarga (download) y carga (upload) de programación coherente
 Seguridad de datos
 Amplia comparación online-offline
2.4.2 Creación de un proyecto
Dentro de un proyecto se guardará
todas las configuraciones,
programaciones, datos, códigos, objetos de los dispositivos asociados a la
53
aplicación de automatización de manera ordenada y sistemática para su
descarga o futura utilización si es necesaria.
Paso 1. Abrir aplicación. Ejecutar la aplicación TIA Portal V11 o la
versión adquirida.
Figura 2.6: Acceso al software TIA Portal
Paso2. Crear Proyecto nuevo. Dentro de la pantalla de inicio aparece
seleccionado por efecto la opción de “Abrir proyecto existente”. En la tabla
aparecerán los proyectos que tenga guardados en el PG/PC. Se
empezará un proyecto desde cero, por lo que se elije “Crear proyecto”.
54
Figura 2.7: Ventana principal del software TIA Portal
Paso 3. Información del proyecto. Al seleccionar esta opción se puede
proporcionar el nombre al proyecto, quien es el autor, ubicación donde se
guardara (path), comentarios y finalmente clic al botón de “Crear”.
Figura 2.8: Crear nuevo proyecto
55
Paso 4. Primeros pasos. Al elegir crear, aparecerá la “Vista Principal” la
cual selecciona por defecto “Primeros pasos”. Desde aquí se tiene las
siguientes opciones: para configurar un dispositivo, crear un programa
PLC y configurar una imagen HMI. Se inicia por lo básico configurando el
hardware del equipo para lo que se debe seleccionar configurar
dispositivo.
Figura 2.9: Vista de la configuración de dispositivos.
Paso
5.
Seleccionar
CPU.
Seleccionando
“Agregar
Dispositivo”
aparecerán dos opciones: PLC o el Panel HMI. Se iniciará el PLC. Clic al
botón del PLC y aparecerá en la ventana de la derecha una tabla,
seleccionar la CPU adquirida y agregarla presionando el botón Agregar.
56
Figura 2.10: Selección de dispositivo
Paso
6.
Configuración
de
hardware.
Aparece la ventana de
configuración del equipo. Se debe ahora es añadir los módulos que se
disponga en nuestro equipo físicamente: módulos de I/O, módulos de
comunicación, etc. Para ello seleccionar del catálogo de la derecha los
módulos correspondientes y se irán arrastrando y soltando en su posición
correcta. En el SIMATIC S7-1200 los módulos de comunicación se
insertan a la izquierda de la CPU y los módulos de I/O se colocan a la
derecha. Como máximo puede haber 3 módulos de comunicación y 8 de
I/O.
Figura 2.11: S7 -1200 Módulos de expansión.
57
Seleccionando la flecha de la parte superior izquierda de la CPU
despliega los slots para añadir los módulos de comunicación. En la parte
de inferior de la pantalla según se inserte los módulos se podrá agregar
en las propiedades del módulo, el direccionamiento, etc.
Figura 2.12: Adición de módulos de expansión
Paso 7. Transferir configuración. Para transferir la configuración se
debe seleccionar la CPU para habilitar el icono que es para transferir los
datos, pero antes de esto para evitar conflictos de comunicación de
comprobará la dirección IP del PC y del PLC.
58
Figura 2.13: Transferencia de configuraciones
Primero configurar la IP del PC, ingresar la 192.168.0.241 u otra diferente
mientras se encuentre dentro
del rango de la clase de IP (clase C)
además que no coincida con la dirección IP del PLC y tampoco con la de
la pantalla HMI.
59
Figura 2.14: Asignación de dirección IP al PC
En el PLC, la dirección IP se le da seleccionando sobre la CPU y en la
ventana de propiedades en la parte inferior dentro de la opción
PROFINET interface. Ahí es donde se asigna la IP y la máscara de
subred que se requiera para el enlace del PLC, como se muestra en la
figura 3.15.
60
Figura 2.15: Asignación de dirección IP al PLC
Comprobar que estaciones son accesibles. Simplemente en el Menú de
Online en la opción de “dispositivos accesibles”.
Figura 2.16: Ver estaciones accesibles
61
Aparecerá la siguiente pantalla donde se muestra listados en la tabla con
el tipo de dispositivo, su dirección IP y la MAC. Seleccionar siempre el
interface correcto del PG/PC, la tarjeta de Ethernet que se esté utilizando.
Figura 2.17: Estaciones Accesibles a la interfaz PG/PC
Una vez comprobado que se comunique correctamente con el PLC,
entonces se podrá transferir la configuración de hardware.
Presionar el botón de transferir (siempre seleccionando la CPU sino
aparecerá el icono deshabilitado) y aparecerá la siguiente pantalla donde
se debe seleccionar la interfaz de comunicación de la PG/PC y por
TCP/IP. Después en la ventana que aparece oprimir el botón de “Cargar”.
62
Figura 2.18: Transferir configuración
Cargada la configuración, emergerá una ventana indicando que las tareas
se han ejecutado correctamente, como la de la figura 2.19.
Figura 2.19: Ventana de carga satisfactoria.
63
2.4.3 Programación del SIEMENS S7 – 1200
Una vez configurada la parte del hardware, es hora de incursionar con la
parte de programación.
Paso 1. Editor de bloques. En la sección árbol de proyecto, en la carpeta
bloque de programa, existe creado un bloque por defecto Main[OB1],
doble clic para editarlo, como se observa en la figura 2.20. Para añadir
nuevos bloques, doble clic en nuevo bloque.
Los bloques de organización (OBs) constituyen la interfaz entre el sistema
operativo del controlador y el programa de usuario. Estos bloques son
llamados por el sistema operativo y controlan los procesos.
Figura 2.20: Bloques de programa.
64
Un programa de usuario puede estar formado por uno o varios bloques.
Hay que utilizar como mínimo un bloque de organización. Los bloques
contienen todas las funciones necesarias para ejecutar la tarea de
automatización específica.
La ejecución del programa de un bloque de organización puede verse
interrumpida por la llamada de otros bloques de organización. En tareas
de automatización complejas, el programa se estructura y divide en varios
bloques que se llaman desde el OB de ciclo y se procesan
sucesivamente.
Se despliega el bloque de organización "Main [OB1]" en el editor de
programas, donde se puede crear el programa.
Figura 2.21: Editor de bloques.
65
En la parte derecha de la vista general se puede acceder al catálogo de
instrucciones, las mismas que se hallan clasificadas de acuerdo a la
función que cumplen, de donde serán arrastrados para generar las líneas
de programación de acuerdo a la necesidad de automatización.
Se puede definir los elementos más utilizados en la sección de favoritos
en la parte superior derecha, para un acceso más rápido, las propiedades
de los elementos insertados dentro del bloque de programa estarán en la
ventana de propiedades en la parte inferior del entorno de desarrollo.
Figura 2.22: Insertar Instrucciones
Paso 2. Transferir programa. Durante el proceso de carga, se establece
una conexión online entre la programadora (PG) o equipo de
programación (PC) y el controlador. Al cargar, el programa que está
guardado en el disco duro de la programadora (PG) o equipo de
programación (PC) se escribe en la memoria del controlador. Durante el
66
proceso de carga, los bloques incluidos en el programa se compilan, si es
necesario, para que el controlador pueda procesarlos. Una vez el
programa está compilado y cargado, el controlador puede procesarlo.
Se puede transferir solo el bloque de programación que está siendo
editado, todos los bloques de programación si se halla seleccionada la
opción Bloque de programa, transferir tanto el hardware como el
programa completo al seleccionar el PLC en la ventana de proyecto.
Figura 2.23: Cargar programa
Si no existe conflicto el programa se cargará satisfactoriamente.
Figura 2.24: Finalización de la carga del programa.
67
Para comprobar que el programa funcione correctamente se puede
acceder al PLC con la opción Online y verificar el estado de las variables
en tiempo real.
Paso 3. Visualización Online. Para ponerse en Online y visualizar el
estado de las variables. Simplemente damos clic al botón de “establecer
conexión online” y se pondrá en Online donde aparecerá la pantalla de
color naranja.
Figura 2.25: Visualización Online
2.4.4 Configuración del objeto tecnológico regulador PID
Los bloques para el regulador PID se crean en un bloque de organización
nuevo. Como nuevo bloque de organización se utiliza un bloque de
organización de alarma cíclica.
68
Los bloques de organización de alarma cíclica sirven para iniciar
programas en intervalos periódicos, independientemente de la ejecución
cíclica del programa. La ejecución cíclica del programa es interrumpida
por el OB de alarma cíclica y continúa después de éste.
Paso 1. Crear un OB de alarma cíclica. Asegurarse que la casilla de
verificación "Agregar y abrir" esté activada.
Figura 2.26: Adición de bloque organizacional cíclico.
El OB de alarma cíclica creado se abre en la vista del proyecto del editor
de programas. Si el bloque no se abre automáticamente es porque no se
ha activado la casilla de verificación "Agregar y abrir" en el cuadro de
diálogo.
69
En este caso, se cambia a la vista del proyecto y se abre el bloque de
programa en el árbol del proyecto.
Paso 2. Crear el objeto tecnológico "PID_Compact" en un segmento del
bloque de organización cíclico.
Figura 2.27: Agregar objeto PID
Paso 3. Confirmar la creación del bloque de datos para el objeto
tecnológico "PID_Compact".
70
Figura 2.28: Bloque de datos para el objeto tecnológico PID.
Se ha programado la llamada del objeto tecnológico "PID_Compact" en el
OB
de
alarma
cíclica
y
se
ha
creado
el
bloque
de
datos
"PID_Compact_DB".
Para configurar el objeto tecnológico "PID_Compact" e interconectarlo con
el proceso debe configurarse e interconectar las variables.
Paso 4. Asignar las variables de los distintos datos que requiere el objeto
tecnológico para ejecutar las funciones de control.
71
Figura 2.29: Edición de parámetro del objeto PID Compact.
2.4.5 Configuración de una red MODBUS TCP/IP
La red MODBUS TCP/IP se empleará para el tráfico de datos con la
terminal de operador RED LION G306A.
Paso 1. Se debe habilitar las marcas de reloj, de las cuales cada bit del
byte que se haya configurado conmutará a una frecuencia específica para
cada bit y se habilitará el byte de sistema, en el cual existe un bit cuyo
estado siempre es TRUE y un bit cuyo estado siempre es FALSE entre
otros.
72
Figura 2.30: Activar bits de reloj.
Una vez realizado esos pasos, que son opcionales, el motivo de ello es que
se usará un bit del reloj, para hacer la petición de lectura/escritura al
Servidor.
Paso 2. Abrir el bloque de programa OB1 (Main) y dentro de las
instrucciones seleccionar la categoría Comunicación, elegir Modbus TCP e
insertar el MB_CLIENT, al insertarlo automáticamente requerirá ser
asociado a un DB y por defecto seleccionar el bloque de datos generado
automáticamente.
73
Figura 2.31: Objeto tecnológico MB_CLIENT
Paso 3. En la parametrización del Bloque se debe configurar, REQ, cada
vez que cambie este bit de reloj, hará una petición al Servidor, es donde
se usará el bit de reloj, que previamente se fue habilitado. DISCONNECT
se asignara a una variable que garantice q la comunicación se haya
realizado. DONNECT_ID tiene que ser un identificador único e irrepetible,
a continuación se debe especificar la dirección IP en sus cuatro octetos
IP_OCTET, el IP_PORT por defecto es el puerto 502. MB_MODE 0 indica
que se requiere acceder a los holdings registers, inputs registers, inputs
bits y outputs bit y MB_MODE 1 indica que se requiere escribir, seguido
de MB_DATA_ADDR que es la dirección de inicio de los registros de
interés y en MB_DATA_LEN la longitud de datos, Para mayor información
de los distintos parámetros del objeto tecnológico MB_CLIENT, mirar la
tabla 2.1.
74
Figura 2.32: Configuración de los parámetros MB_CLIENT
Tabla 2.1: Parámetros de la instrucción "MB_CLIENT"
Parámetro
Declaración
Tipo de
datos
Descripción
Petición de comunicación con el
REQ
Input
BOOL
servidor Modbus TCP con flanco
ascendente.
Mediante este parámetro se
controla el establecimiento de la
DISCONNECT
Input
BOOL
conexión y la desconexión con el
servidor Modbus:

75
0: Establecer una conexión
de comunicación con la
dirección IP y número de
puerto especificados.

1: Deshacer la conexión.
Durante la desconexión no
se ejecuta ninguna otra
función.
ID unívoca para identificar la
conexión. A cada instancia de las
CONNECT_ID
Input
WORD
instrucciones "MB_CLIENT" y
"MB_SERVER" debe asignársele
una ID de conexión unívoca.
IP_OCTET_1
Input
BYTE
IP_OCTET_2
Input
BYTE
IP_OCTET_3
Input
BYTE
IP_OCTET_4
Input
BYTE
1. Octeto de la dirección IP* del
servidor Modbus TCP.
2. Octeto de la dirección IP* del
servidor Modbus TCP.
3. Octeto de la dirección IP* del
servidor Modbus TCP.
4. Octeto de la dirección IP* del
servidor Modbus TCP.
Número de IP y puerto del
servidor con el que el cliente
IP_PORT
Input
WORD
establece la conexión y con el
que se comunica mediante el
protocolo TCP/IP (valor estándar:
502).
76
MB_MODE
Input
USINT
Selección del modo de petición
(lectura, escritura o diagnóstico).
Dirección inicial de los datos a los
MB_DATA_ADDR Input
UDINT
que accede la instrucción
"MB_CLIENT".
Longitud de datos: Número de
bits o palabras para el acceso a
MB_DATA_LEN Input
UINT
los datos (ver "Parámetros
MB_MODE y MB_DATA_ADDR":
longitud de datos).
77
Puntero al registro de datos
Modbus: El registro es un búfer
para los datos recibidos desde el
MB_DATA_PTR InOut
VARIANT servidor Modbus o que se van a
enviar al servidor Modbus. El
puntero debe remitir a un bloque
de datos o a un área de memoria.
El bit del parámetro de salida
DONE
Out
BOOL
DONE se pone a "1" en cuanto
se ha ejecutado sin errores la
última petición.

0: No se está ejecutando
ninguna petición de
BUSY
Out
"MB_CLIENT "
BOOL

1: Petición de "MB_
CLIENT " en ejecución
78
ERROR
Out
BOOL

0: Ningún error

1: Con errores La causa
del error se indica
mediante el parámetro
STATUS.
STATUS
Out
BOOL
Código de error de la instrucción.
2.5 Programación de la Touch Screen
Para el desarrollo de la interfaz HMI, se requiere un ordenador con el
software Crimson 3.0 instalado, además de sus respectivas librerías para
la correcta configuración y funcionamiento.
2.5.1 Software Crimson 3.0
Crimson 3.0, la última versión del ampliamente aclamado software de
configuración de interfaz de operador. Crimson 3 ofrece una enorme
cantidad de mejoras, acerca del funcionamiento del software. De cualquier
modo, pronto descubrirá que Crimson 3 le facilita y agiliza el diseño de
poderosos y atractivos sistemas de interfaz de operador.
79
2.5.2 Requisitos de Sistema
Crimson está diseñado para ejecutarse en cualquier versión de Microsoft
Windows a partir de Windows 2000. Los requisitos de memoria son
discretos y cualquier sistema que cumpla con los requisitos mínimos para
su sistema operativo será capaz de ejecutar Crimson sin ningún
problema. Se necesitarán alrededor de 100 MB de espacio libre en disco
para la instalación e, idealmente, debe poseer un monitor con suficiente
resolución para mostrar páginas sin mucha necesidad de desplazarse
dentro de la pantalla. Para un equipo VGA, se recomienda un PC XGVA.
2.5.3 Crear nuevo proyecto.
En el proyecto se guardará de forma ordenada, las configuraciones que
se realicen en el desarrollo de la interfaz HMI.
Paso 1. Ejecutar la aplicación Crimson 3.0 y seleccionar la terminal de
operador adquirida (G306).
Figura 2.33: Selección de dispositivo.
80
Hecho lo anterior emergerá la pantalla principal del software Crimson, la
misma que está conformada de tres secciones.
Figura 2.34: Vista principal del software Crimson.
1. Panel de navegación.-
La sección izquierda de la ventana se
denomina panel de navegación. Se utiliza para moverse por las
diferentes categorías de ítems dentro de un archivo de configuración
de Crimson. Cada categoría se representa con una barra en la base
del panel, y al hacer clic sobre ella se navegará hacia esa sección. La
parte superior del panel de navegación muestra los ítems disponibles
en la categoría correspondiente y cuenta con una barra de
herramientas que permite manipular dichos ítems. Si desea agrandar
la parte superior, puede seleccionar y arrastrar la línea que la divide
de las barras de categoría.
81
2. Panel de edición. La parte central de la ventana se utiliza para editar
el ítem seleccionado. En dependencia de la selección, puede contener
ya una cantidad de etiquetas, las cuales muestran un conjunto dado
de propiedades correspondientes a ese ítem, o contener un editor
específico para el ítem que se está editando.
3. Panel de recursos. La sección derecha de la ventana se denomina
panel de recursos. Se utiliza para acceder a los diferentes ítems
necesarios para editar la categoría en cuestión. Igual que el panel de
navegación, contiene un número de categorías a las que es posible
acceder por medio de las barras de categorías.
Los ítems de una categoría de recursos determinada pueden ser
arrastrados y soltados en los lugares donde desea utilizarlos. Por
ejemplo, una etiqueta de datos puede seleccionarse en el panel de
recursos y soltarse en un campo de configuración para hacer que
dicho campo sea dependiente del valor de la etiqueta seleccionada.
También es posible hacer doble clic en muchos ítems y así configurar
el campo en cuestión de acuerdo con ese ítem
2.5.4 Configuración de una red MODBUS TCP/IP SLAVE
La primera fase en la creación de una base de datos Crimson es
configurar los puertos de comunicaciones del dispositivo objetivo para
indicar los protocolos que se desea emplear y a qué dispositivos remotos
se desea acceder. Estas operaciones se realizan desde la categoría de
Comunicaciones.
82
Paso 1. En la sección de comunicaciones seleccionar Network dentro del
árbol, configurar Ethernet 1 de modo manual, asignar una dirección IP al
puerto y el resto de campos dejarlos con los valores predeterminados,
como muestra la figura 2.35, esto para una aplicación general.
Figura 2.35: Configuración del puerto Ethernet
Paso 2. Seleccionar Protocolo 1, elegir MODBUS como protocolo de
comunicación, y por último la opción TCP/IP SLAVE como driver.
83
Figura 2.36: Selección de protocolo de comunicación.
Paso 3. Configurar los parámetros del driver TCP del puerto Ethernet,
como se muestra en la figura 2.37, entre ellos, puerto TCP, límite de
sección, tiempo de espera de conexión, etc.
Paso 4. Agregar un bloque de datos, para los registros de los datos que
se intercambiaran en el desarrollo y funcionamiento del proceso de
temperatura, como se observa en la figura 2.38.
84
Figura 2.37: Configuración del driver
Figura 2.38: Agregar bloque
85
Paso 5. Configurar el bloque, para ello se debe elegir la dirección
correspondiente al tipo de registros a utilizarse.
Figura 2.39: Selección de registros
Paso 6. Además se debe configurar el tamaño del bloque, esto según la
cantidad de datos a ser intercambiados a través del puerto de
comunicación, así como especificar la dirección de los registros ya sean
de entrada o salida.
Figura 2.40: Configuración de los bloques de datos.
86
2.5.5 Etiquetas y variables
Las etiquetas de datos son entidades con nombre que representan ítems
de datos. Las etiquetas pueden ser mapeadas con uno o más registros en
el dispositivo remoto, y en estos casos Crimson leerá automáticamente el
registro correspondiente cuando se muestre o se haga referencia a la
etiqueta. De igual modo, si se cambia una etiqueta mapeada, Crimson
automáticamente escribirá el nuevo valor en el dispositivo. Las etiquetas
se utilizarán para guardar los datos, mismas que serán utilizadas para
enviar y recibir los datos a los registros configurados anteriormente.
Paso1. En la sección de etiquetas de datos, seleccionar nueva etiqueta
de tipo numérica, estos según la aplicación desarrollada.
Figura 2.41: Agregar etiquetas (tags).
87
2.5.6 Diseño de la Interfaz Humano Máquina HMI
Se trata del conjunto de elementos a través de los cuales un usuario
interactúa con un objeto que realiza una determinada tarea y determinar
el estado (prendido / apagado) o magnitud de los dispositivos y/o
variables físicas que están presentes en una planta o proceso industrial.
La interfaz puede ser tan simple como una lámpara indicadora del estado
de un aparato, hasta una o varias pantallas desarrolladas en una
computadora que llegan a mostrar
en la pantalla
del monitor
representaciones esquemáticas de todo el proceso bajo supervisión,
incluyendo valores reales de las variables presentes en ese momento en
la planta.
Paso 1. En la sección de páginas de visualización, seleccionar la página
deseada y desde el panel de recursos, agregar los objetos y símbolos
necesarios para desarrollar un HMI intuitivo.
Figura 2.42: Diseño de la Interfaz.
88
Paso 2. Agregar páginas de visualización, para contener los distintos
requerimientos de la HMI, tales como, registro de datos, alarmas, pantalla
de sintonización del lazo de control, etc.
Figura 2.43: Múltiples páginas de una HMI
89
CAPÍTULO 3
RESULTADOS Y PRUEBAS EXPERIMENTALES
3.1 Descripción física del sistema
El sistema (figura 3.1) consta de varios materiales, dispositivos e
instrumentos para llevar a cabo las funciones de control del proceso de
temperatura de un horno, los mismos que se describen a continuación.
Figura 3.1: Módulo didáctico.
90
Horno eléctrico de niquelinas (figura 3.2), provisto de elementos de
cocción que pueden alcanzar una potencia de hasta 1440 vatios, para
calentamiento uniforme.
Figura 3.2: Horno eléctrico.
Transmisor smart de temperatura 3144p (figura 3.3) instrumento de
medición de la variable física temperatura del sistema de manera directa a
través de una RTD como elemento primario de medición, y la transforma
en señales de voltaje o corriente para que pueda ser procesada por el
autómata o PLC.
Posee también la capacidad de comunicación HART, protocolo utilizado
para la configuración y calibración del mismo de una manera sencilla y
rápida, optimizando tiempos de puesta en servicio del sistema en el que
se halle ubicado. Además de sus características robustas para ambientes
agresivos, posee capacidades de autoajuste.
91
Figura 3.3: Transmisor Rosemount 3144p
PLC Siemens S7-1200 (figura 3.4) controlador lógico programable de tipo
compacto, dispositivo de vital importancia para el sistema, pues realiza las
funciones de control, además gestiona la comunicación con la touch
screen para el respectivo monitoreo.
Figura 3.4: PLC Siemens S7-1200
92
Módulo de expansión SM 1234 (figura 3.5) es un dispositivo de entradas
y salidas analógicas, que permite interactuar al autómata con los
instrumentos de campo, provisto de cuatro entradas y dos salidas
analógicas de voltaje de +/-10V o corriente de 0 – 20 mA.
Figura 3.5: Módulos de entradas y salidas analógicas.
Touch screen es una terminal de operador touch Red Lion G306
mostrada en la figura 3.6, en la cual se visualiza la interfaz humano
máquina (HMI) del proceso, y poder acceder a los históricos, configura los
modos de control, etc.
93
Figura 3.6: Pantalla táctil Red Lion G306
Driver de accionamiento de triac’s (figura 3.7) es un dispositivo
electrónico de potencia, cuya función es la de regular la cantidad de
energía que será entregada hacia el elemento final de control, es decir, es
un actuador eléctrico.
Figura 3.7: Driver de triac’s
94
Regulador de presión (figura 3.8) es un dispositivo neumático que posee
la capacidad de regular la presión de línea de aire a una inferior de la
suministrada y la mantiene constante. En el sistema se usaron dos
reguladores, uno de ellos se encuentra en la parte posterior del panel
frontal, este es la alimentación de aire al interior del horno para que circule
y ventile, el otro regulador se encuentra en el panel frontal, con el cual se
puede introducir perturbaciones al sistema.
Figura 3.8: Regulador de presión
Acoples neumáticos son parte del sistema de aire del módulo didáctico,
para realizar las conexiones en derivación que serán el enfriamiento del
horno y las perturbaciones del sistema, para ello se han utilizado racords,
acoples en forma de T, pasa muros, los cuales tienen un diámetro interno
de 6 mm, al igual que la manguera utilizada en las conexiones, mostrados
en la figura 3.9.
Figura 3.9: Acoples neumáticos.
95
Fuente de 24 Vdc (figura 3.10) es una fuente de corriente continua de 24
voltios. En el ámbito de la automatización y control, la mayoría de los
equipos e instrumentos están diseñados para funcionar con una tensión
de alimentación de 24 Vdc, en el sistema se la utiliza para alimentar a la
touch screen, transmisor de temperatura y luces de alarma.
Figura 3.10: Fuente de 24 Vdc.
Lámparas indicadoras son lámparas de corriente continua de 24 voltios,
en el sistema se emplean cuarto, una para cada alarma HH (alta alta), H
(alta), L (baja), LL (baja baja), estas ubicadas en el panel frontal como se
muestra en la figura 3.11.
Figura 3.11: Lámparas indicadoras.
96
3.2 Pruebas experimentales al sistema
Una vez que se disponga del sistema ya ensamblado, interconectado,
configurado y programado de manera correcta, se procede necesaria e
indispensablemente a realizar las pruebas respectivas al sistema por
secciones y funcionando completamente.
Dentro de estas pruebas se debe comprobar las señales del transmisor de
temperatura, que se halla configurado para trabajar en un rango de 25⁰C
a 75⁰C, luego la adquisición de las señales y que sean mostradas en la
touch screen, así como las señales que emite el PLC hacia los distintos
dispositivos asociados.
Transmisor de temperatura Rosemount 3144p
Para esta prueba se necesita de un amperímetro, se enciende el horno y
se observa el incremento de la corriente que circula por el lazo de
corriente, con el aumento de temperatura dentro del horno.
El transmisor presenta una respuesta proporcional y lineal de 4mA a
20mA, para el rango de valores comprendidos entre 25⁰C y 75⁰C, con una
velocidad de respuesta muy adecuada e incluso considerando que los
cambios de temperatura son relativamente lentos.
PLC S7-1200, Módulo de I/O SM 1234 y Touch screen Red Lion G306
Es necesario analizar estos tres componentes de manera conjunta debido
a su funcionamiento, puesto que la señal de corriente proveniente del
transmisor de temperatura es adquirida por el módulo de I/O SM 1234 y
transmitida hacia el PLC, el mismo que procesa esta información para
realizar las funciones de control y realiza un escalamiento para enviar una
97
información con la temperatura del proceso hacia la touch screen y
finalmente poder ser visualizada por el operador del sistema.
De igual manera existe flujo de datos en el sentido contrario, a través de
la touch screen el usuario ingresa las constantes del controlador y el valor
de consigna (set point), los cuales se muestran en el HMI y son enviadas
al PLC para ser procesadas, donde con todos los datos necesarios, se
genera una señal de control, la que se visualiza en el HMI, y al mismo
tiempo se envía al módulo de I/O SM 1234, generando una señal de 4mA
a 20mA.
Driver de accionamiento de triac’s
Este dispositivo es comandado de forma automática con la señal de
control generada por el PLC junto con el módulo de I/O, se lo comprueba
con la ayuda de un osciloscopio observando la forma de onda en la carga
asociada, el dispositivo inicia su conducción de energía eléctrica para
valores de corriente poco superiores a 4mA y de manera proporcional
hasta llegar a 20mA con una forma de onda sinusoidal completa.
3.3 Funcionamiento en los distintos modos de control
Luego de realizar las conexiones necesarias en el panel frontal para el
funcionamiento del sistema, hay que autentificar un usuario para poder
configurar el sistema, para lo cual se ingresará como ADMINISTRADOR,
ya que este usuario es el único que tiene todos los privilegios para realizar
las distintas configuraciones y cambios.
98
Figura 3.12: Menú principal del HMI
Figura 3.13: Modos de control
99
El nombre asignado para ingresar con los privilegios de administrador es
administrador y la contraseña es scada. Entonces se podrá acceder a la
opción control del menú principal (figura 3.12), lo que conduce a la
pantalla de configuración de modos de control ilustrada en la figura 3.13,
donde se puede encontrar las siguientes opciones de configuración:
 Control proporcional
 Control Proporcional integral
 Control proporcional derivativo
 Control proporcional integral derivativo
3.3.1 Control proporcional
Para configurar este tipo de control se debe ingresar oprimiendo la opción
de CONTROL que se encuentra en el menú principal del HMI. Aparecerá
una pantalla más en la cual se encuentran los diferentes tipos de control,
se elige CONTROL PROPORCIONAL, y aparecerá una pantalla en la cual
se mostrará la constante proporcional Kp como parámetro configurable
(figura 3.14).
Figura 3.14: Configuración del control proporcional
100
Funcionamiento
El modo de control proporcional, está basado en un algoritmo lineal y
proporcional, que tiene como objetivo reducir la magnitud del error, así
dará estabilidad al proceso. El modo proporcional trabaja para dar
estabilidad al proceso, tiene como desventaja que produce un error en
estado estacionario.
3.3.2 Control proporcional integral
En la pantalla de modos de control del HMI de elige CONTROL
PROPORCIONAL INTEGRAL, y aparecerá una pantalla en la cual se
mostrará la constante proporcional Kp y el tiempo integral Ti como
parámetros configurables (figura 3.15).
Figura 3.15: Configuración del control proporcional integral
101
Funcionamiento
El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el
error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional.
El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o sumarlo por
un periodo de tiempo determinado; Luego es multiplicado por una
constante I, la misma que representa la constante de integración.
Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional
para formar el control P + I con el propósito de obtener una respuesta
estable del sistema sin error estacionario.
3.3.3 Control proporcional derivativo
En la pantalla de modos de control del HMI se elige CONTROL
PROPORCIONAL DERIVATIVO, y aparecerá una pantalla en la cual se
mostrará la constante proporcional Kp y el tiempo integral Td como
parámetros configurables (figura 3.16).
Figura 3.16: Configuración del control proporcional derivativo
102
Funcionamiento
La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor
absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos
proporcional e integral). Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica
por una constante derivativa y luego se suma a la señal anterior para
formar el control P + D.
La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo
corrigiéndolo proporcionalmente con la velocidad misma que se produce,
de esta manera evita que el error se incremente.
3.3.4 Control proporcional integral derivativo
Ingresar en el HMI de configuración del modo de control y seleccionar
CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO, esta opción salta
a otra pantalla (figura 3.17) en donde se puede fijar parámetros como:
ganancia proporciona Kp, tiempo integral Ti y tiempo derivativo Td.
Figura 3.17: Configuración del control proporcional integral
derivativo
103
Funcionamiento
Su funcionamiento se basa en las acciones mencionadas anteriormente
en donde el valor Proporcional determina la reacción del error actual, el
Integral elimina el error en estado estable, el derivativo determina la
reacción del tiempo en el que el error se produce, la suma de estas tres
acciones es usada para ajustar al proceso vía un elemento de control.
3.4 Análisis de las curvas de proceso
Para el análisis de las curvas de respuesta de cada uno de los modos de
control que se pueden implementar en el sistema se empleó fotografías
que fueron tomadas directamente de la pantalla táctil, para de ésta forma
poder observar directamente el comportamiento del sistema, en donde
cada línea de la figura muestra una variable según el color de la misma y
pueden ser PV: variable de proceso, SP: Setpoint y CV: Salida, que se
puede notar en la figura 3.18.
Figura 3.18 Identificación de colores para las curvas de proceso
104
En las gráficas cada variable del proceso tiene designado un color para
así poder diferenciarlas; en la figura 3.18 se observa que para el SP es
designado el color rojo, para el CV el color amarillo y para el PV el color
verde.
En la figura 3.19 se observan las variables del proceso en una
representación de gráfico de barras, siendo en esta pantalla en donde se
puede ingresar e ir variando el valor del SP (set point), observar como es
el comportamiento del CV (variable de control) para así alcanzar el valor
de PV (variable del proceso). Además se puede observar cuando una
alarma se dispara, desde la pantalla de la figura 3.19, se puede ir hacia
los históricos del sistema, tendencias, alarmas y a la pantalla de control
de forma directa, sin la necesidad de regresar al menú principal.
Figura 3.19 Variables de proceso
3.4.1 Control Proporcional (P)
Para realizar el análisis de la respuesta a este tipo de control, se debe
ingresar el valor de Kp en la pantalla de CONTROL PROPORCIONAL,
105
seleccionada en el menú de tipo de control del proceso, configurando los
parámetros que se muestran en la tabla 3.1.
Tabla 3.1: Sintonización del control P
SP [⁰C]
Kp
PV [⁰C]
50
20.00
Inestable
50
10.00
Inestable
50
5.00
32
50
4.5
35
La curva de respuesta del control proporcional mostrada en la figura 3.20
es estable y siempre tiene error en estado estacionario ya que esta es la
característica principal de este modo de control, debido a que la variable a
controlar no se estabilizará en el valor deseado (Sp).
Figura 3.20: Curva de respuesta para un control Proporcional
106
La Respuesta cuando se aplica una perturbación por medio del cierre o
apertura de una válvula reguladora de presión en el proceso se ilustra en
la figura 3.21, el controlador hace que se estabilice la señal nuevamente y
mantiene su error en estado estable.
Figura 3.21: Curva de respuesta de un control PI ante una
perturbación
3.4.2 Control Proporcional Integral (PI)
Para el análisis de las curvas de respuesta del sistema con un control PI,
se toma en cuenta los parámetros de sintonización, como los que se
muestran en la tabla 3.2.
107
Tabla 3.2: Sintonización del control PI
SP [⁰C]
Kp
Ti (min)
PV [⁰C]
50
5.00
10.00
Inestable
50
4.50
50.00
Inestable
50
2.00
80.00
50
50
1.80
86.00
50
La curva que muestra el comportamiento del controlador representada por
la figura 3.22 logra estabilizarse de acuerdo al tiempo integral (Ti)
ingresado, ésta acción elimina el error en estado estable, dependiendo del
tiempo configurado éste proceso puede ser lento o rápido, pero se debe
tener en cuenta que al inyectar más acción integral (Ti → 0 min) en el
proceso, se vuelve más inestable.
Figura 3.22: Curva de respuesta para un control PI
108
En la figura 3.23 se abrió la puerta del horno siendo esta una perturbación
y se puede observar que el sistema se demora en volver al valor de la
consigna pero transcurrido el tiempo vuelva a estabilizarse.
Figura 3.23: Curva de respuesta de un control PI ante una
perturbación
3.4.3 Control Proporcional Derivativo (PD)
Para realizar el análisis de curvas del sistema con un control PD se
configura los siguientes parámetros:
Tabla 3.3: Sintonización del control PD
SP [⁰C]
Kp
Td [min]
PV [⁰C]
50
7.00
1.00
Inestable
50
5.00
1.50
35
50
4.50
3.00
35
50
4.50
5.00
35
109
La curva para el modo de control proporcional derivativo (PD) ilustrado en
la figura 3.24 tiene un comportamiento estable pero por su naturaleza de
control, este no corrige el error en estado estable producido por la acción
proporcional.
Figura 3.24: Curva de respuesta para un control PD
Al realizar una perturbación de cierre apertura de una válvula este
controlador reacciona con la misma rapidez que se produce el error,
haciendo que este no sea tan grande y permitiendo que se estabilice el
proceso de forma más rápida como se muestra en la figura 3.25.
110
Figura 3.25: Curva de respuesta de un control PD ante una
perturbación
3.4.4 Control Proporcional Integral Derivativo (PID)
Cuando se elige el control PID se reúnen las características de los tres
tipos de control siendo esto una ventaja ya que se puede tener mayor
eficiencia y rapidez de respuesta del sistema. Para realizar este control se
utiliza los tres parámetros Kp, Ti, Td.
Tabla 3.4: Sintonización del control PID
SP [⁰C]
Kp
Ti [min]
Td [min]
PV [⁰C]
50
6.00
50.00
1.00
Inestable
50
6.10
80.00
10.00
49
50
6.14
86.65
20.00
49
50
6.14
86.65
21.96
50
111
La curva para el modo de control PID de la figura 3.26 tiene un
comportamiento rápido y estable que es lo que se busca en los proceso
industriales, así la combinación de los controladores P + I + D se
complementan mutuamente para dar una respuesta eficiente.
Figura 3.26: Curva de respuesta para un control PID
La reacción de este controlador a una perturbación de cierre apertura de
una válvula es regulada rápidamente evitando así que el error suceda por
mucho tiempo como se muestra en la figura 3.27, todo esto dependiendo
del tipo de proceso y de las características de comportamiento para el
controlador.
112
Figura 3.27: Curva de respuesta de para un control PID ante una
perturbación
3.4.5 Control Proporcional Integral Derivativo (PID) con Alarmas
Una vez sintonizado el sistema aplicando los parámetros de la tabla 3.4,
se cambió el valor del SP, a un valor bajo para que así se pueda observar
el funcionamiento del control más el encendido de las luces de las
alarmas. Como se observa en la figura 3.28, primero se enciende la
alarma de temperatura baja y luego la de temperatura baja - baja.
Figura 3.28: Activación de alarmas de niveles bajos de temperatura.
113
De la misma manera el estado de alarma se puede apreciar en los
indicares externos de luces piloto (figura 3.29) que se encienden al mismo
instante que los indicadores configurados en el HMI.
Figura 3.29: Luces piloto indicadoras de alarma.
Para verificar el funcionamiento de las alarmas de temperatura, se cambia
el setpoint a un valor alto, para llevar al sistema hacia los limites
superiores y apreciar la activación de la alarma alta y alta - alta, las misma
que se observan tanto en el HMI con en las luces piloto, como se observa
en la figura 3.30.
Figura 3.30: Activación de alarmas de niveles altos de temperatura.
114
Dentro de un proceso industrial, cuando ocurre un evento de alarma, es
necesaria e imprescindible que esta sea reconocida por un operador
humano a través del HMI, para ello se debe acceder a la ventana de
alarmas (figura 3.31), donde se indicará la información necesaria sobre el
evento y además permite realizar el reconocimiento (acknowledgment) de
las alarmas.
Figura 3.31: Ventana de alarmas
Una vez reconocidas las alarmas que hayan aparecido, entonces
desaparecerán los avisos de la pantalla de alarmas como se muestra en
la figura 3.32.
Pero si se requiere acceder a un histórico de eventos, esto será posible
en la pantalla de históricos, donde se encuentran registrados todos los
eventos que hayan surgido durante la manipulación del sistema mostrado
en la figura 3.33.
115
Figura 3.32: Sistema sin alarmas activas.
Figura 3.33: Ventana de históricos de eventos
116
3.5 Alcances y limitaciones
Alcances
En el transcurso de desarrollo del proyecto se pudo notar los siguientes
alcances, los mismos que se pone a consideración.
 Posibilita la visualización del comportamiento de la variable de
proceso en tiempo real y en el momento requerido por el operador,
esto en un ambiente amigable brindado por la Touch Screen, sin la
necesidad de recurrir a un clásico registrador de papel y contribuir con
el medio ambiente.
 Concentra la información necesaria (configuración y supervisión) en
un mismo punto, reduciendo así los tiempos de acceso a la
información, provocando una menor distracción y mejor manejo del
sistema.
 Permite el manejo de cuatro tipos de alarmas, que al activarse serán
visibles en panel frontal a través de lámparas indicadoras, así como
en el HMI, donde serán registradas como eventos conjuntamente con
la información del instante en que se produjeron.
 El sistema presenta gran flexibilidad ante cambios y mejoras, debido a
que pueden realizarse cambios en el programa del PLC, como
también en el programa de la Touch Screen.
Limitaciones
De la misma manera se notaron ciertas limitaciones que presenta el
sistema, expuestas a continuación.
 El módulo no puede ser conectado directamente hacia una red,
puesto que el PLC únicamente está provisto de un puerto profinet, por
lo que requiere ser conectado a un switch o agregar módulos de
117
comunicaciones, y también de la adición de bloques de programación
para dicho propósito.
 Debido a la temperatura ambiente, el sistema se halla limitado a
trabajar en un rango de temperaturas superiores a la temperatura
ambiente del lugar, por esta razón el transmisor se encuentra
configurado a partir de 25⁰C, caso contrario al intentar alcanzar una
temperatura por debajo de la temperatura ambiente, las acciones de
control no surtirían efecto sobre la variable controlada.
 La energía eléctrica entregada a las niquelinas a través del driver de
accionamiento de triac’s no es completamente proporcional, puesto la
energía eléctrica de la red presenta una forma de onda sinusoidal, y al
variar el ángulo de disparo se tiene solamente una relación
proporcional para el 50% de la potencia, para el resto de valores se
tendría un aproximado, la forma de que esta variación sea
completamente proporcional seria, si la forma de onda de la fuente de
energía fuera cuadrada.
118
CAPÍTULO 4
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 Conclusiones
Al finalizar el proyecto se tiene las siguientes conclusiones.
 Se ha implementado un sistema de control de temperatura de un
horno, como resultado de la
aplicación de los conocimientos
adquiridos durante la formación académica como profesionales de la
carrera permitiendo tener una visión general de la estructura y etapas
de un proceso.
 En el proyecto desarrollado se puede notar que intervienen algunos
campos de la ingeniería como son: Control de Procesos, Sistemas
SCADA, Instrumentación Industrial y Protocolos e Interfaces de
comunicación.
 El desarrollo, ensamblado e implementación del proyecto, aporta un
sistema flexible, moderno y escalable, fomentando la mejor formación
de
profesionales
de
la
carrera
de
Ingeniería
Electrónica
e
Instrumentación, permitiendo realizar el control y monitoreo de los
diferentes modos de control a nivel industrial en un proceso de
temperatura de un horno.
 El sistema representa una valiosa inversión en el desarrollo de
conocimiento y equipos, y a la vez genera un gran ahorro, ya que un
módulo de las mismas características y condiciones tiene un costo
muy elevado.
 Se desarrolló de forma satisfactoria el HMI del sistema con la ayuda
del software Crimson 3.0 propio de la marca Red Lion Controls, el
cual brinda un entorno de desarrollo muy amigable y eficiente,
facilitando además las configuraciones de comunicación de la touch
screen con el PLC Siemens S7-1200.
119
 Se programó el PLC Siemens S7-1200 con la herramienta de software
TIA (Totally Integrated Automation) Portal, tanto el lazo de control PID
que actúa sobre la variable física de interés, así como la configuración
del puerto de comunicación para el intercambio de datos con la
pantalla táctil Red Lion G306.
 Se configuró el rango dinámico de medición del transmisor de
temperatura rosemount 3144p de forma rápida y sencilla con la ayuda
del calibrador de procesos Fluke 744.
 El PLC Siemens S7-1200 se ajustó perfectamente al proceso
controlado ya que se tuvo la posibilidad de configurar y manipular un
lazo de control PID de tal manera que se pueda comportar de un
modo de control específico, con solo anular las acciones reguladoras
de determinados términos en su algoritmo de control.
 Mediante el uso de este sistema, la elaboración de las prácticas
propuestas y a través del trabajo dirigido, se permitirá al estudiante la
mejor comprensión y entendimiento que necesita para afianzar sus
conocimientos en éstas aplicaciones tan importantes en el ámbito
industrial.
 Se pudo comprobar que para el proceso de temperatura de un horno
implementado en este proyecto se obtiene un control muy satisfactorio
aplicado un control Proporcional-Integral-Derivativo, ya que al tratarse
de un proceso relativamente lento se requiere de un alto coeficiente
integral y derivativo, pues presenta un error de estado estacionario
muy considerable. además se requiere evitar oscilaciones del sistema
y que presente un comportamiento predictivo a loas cambios de la
variable de interés disminuyendo el tiempo de estabilización,
reduciendo incluso el consumo energético.
120
4.2 Recomendaciones
 Antes de empezar a manipular el módulo en la práctica de laboratorio,
se debe leer los diagramas P&ID y consultar en los manuales de
usuario de los equipos que conforman el sistema con el fin de manejar
todos los recursos del proyecto implementado y evitar daños graves o
de difícil solución.
 Se recomienda realizar unas instalaciones eléctricas idóneas para el
Laboratorio de Redes Industriales ya que es necesario para el buen
funcionamiento de los equipos que se utilizan, con una buena
conexión a tierra, que proteja tanto al usuario del sistema como a los
equipos que conforman el mismo.
 Se recomienda calentar el horno de 3 a 5 minutos colocando el
sistema en manual, para que las niquelinas adquieran calor y no
tarden mucho en corregir el error al inicio de la manipulación del
sistema.
 Si por algún motivo se obtiene una medición errónea o ausencia de la
misma, lo primero que se debe revisar son las conexiones realizadas
y verificar si los cables de conexiones se encuentran en buenas
condiciones de uso.
 En caso de querer hacer algún cambio de programación, se
recomienda tomar en cuenta que los símbolos utilizados están
relacionados con el HMI de la touch screen y estos deben mantenerse
para el buen funcionamiento del sistema.
 Es necesario verificar periódicamente el correcto funcionamiento del
transmisor instalado en el sistema comparando el valor medido con la
temperatura que muestra el termómetro de vidrio que para este caso
sería el patrón de medición, y si el caso lo requiere ajustar el
transmisor.
121
BIBLIOGRAFÍA
 ACEDO Sánchez J., “Instrumentación y Control Básico de Procesos”,
primera edición, Ediciones Diaz de Santos S.A., México 2006.
 ARIAN Control & Istrumentacion, “Como Sintonizar un Control PID,
Teoría y Práctica, ARIAN S.A., México 2003.
 CÁRDENAS Rubén D, “Diseño Electrónico Analógico”, primera
edición, Editorial Planeta, Colombia 2009.
 CREUS Solé Antonio, “Instrumentación Industrial”, sexta edición,
Alfaomega, México, 1998.
 DOEBELIN Ernest, “Measurement Systems”, tercera edición, Mc
Graw Hill, New York 1983.
 Enríquez Harper, “El ABC de la Instrumentación en el Control de
Procesos Industriales”, primera edición, Editorial limusa, México 2004.
 MALONEY Timothy J.,
“Electrónica Industrial Moderna”, quinta
edición, PEARSON EDUCACIÓN, México 2006.
 Manual del sistema de automatización S7-1200.
 Manual del transmisor de temperatura rosemount 3144p.
 MORRIS Alan S “Principios de medición e instrumentación”, primera
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 RASHID Muhammad H., “Electrónica de Potencia”, tercera edición,
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 SMITH Carlos A. CORRIPIO Amando B.,” Control Automático de
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122
NETGRAFÍA
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ables/2%20bachillerato/SISTEMAS%20AUTOMATICOS%20DE%20C
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 http://htmlimg2.scribdassets.com/3uu9ezala812jfb9/images/2279693f534b.jpg
 http://tec.upc.es/el/TEMA-6%20EP%20(v1).pdf
 http://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/si
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428;5.x=34&switchLang;40614428;5.y=4&lang=es&siteid=cseus&aktp
rim=4&objaction=csopen&extranet=standard&viewreg=WW
 https://www.automation.siemens.com/WW/forum/guests/PostShow.as
px?PageIndex=1&PostID=442167&Language=en
 http://ebookbrowsee.net/red-lion-to-the-siemens-s7-300-plcs-viaethernet-pdf-d258259336
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 http://www.infoplc.net/noticias/item/392-nuevascaracter%C3%ADsticas-hardware-de-los-terminales-hmi-d-red-lioninspiradas-en-los-clientes
124
ANEXOS
125
LISTADO DE ANEXOS
ANEXO A: Glosario de Términos
ANEXO B: Hojas de Especificaciones Técnicas
ANEXO C: Programación
ANEXO D: Manual técnico de posibles fallas y soluciones
ANEXO A
GLOSARIO DE TÉRMINOS
A
ACTUADOR. Es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica,
neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de
generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de
un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar
un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.
ANALÓGICO Se refiere a las magnitudes o valores que "varían con el
tiempo en forma continua" como la distancia y la temperatura, la
velocidad, que podrían variar muy lento o muy rápido como un sistema de
audio.
AUTOMATIZACIÓN. Es un sistema donde se trasfieren tareas de
producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un
conjunto de elementos tecnológicos.
AUTÓMATA. Máquina que imita la figura y los movimientos de un ser
animado.
AUTÓMATA PROGRAMABLE. Equipo electrónico programable en
lenguaje no informático y diseñado para controlar, en tiempo real y en
ambiente industrial, procesos secuenciales.
AC. Es la abreviatura de corriente alterna.
B
BASE DE DATOS. Es un conjunto de datos pertenecientes a un mismo
contexto y almacenados sistemáticamente en formato digital que ofrece
un amplio rango de soluciones al problema de almacenar datos para su
posterior uso.
BUSES DE CAMPO. Es un sistema de transmisión de información (datos)
que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y
equipamientos industriales utilizados en procesos de producción.
C
CONECTOR DE BUS. Este conector permite empalmar la CPU a un
módulo de extensión adicional.
CONFIGURAR. Adaptar una aplicación software o un elemento hardware
al resto de los elementos del entorno y a las necesidades específicas del
usuario. Es una tarea esencial antes de trabajar con cualquier nuevo
elemento.
D
DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO. Son pequeños componentes
electrónicos
activos
que
están
construidos
por
materiales
semiconductores, por los cuales e conduce corriente eléctrica y son
utilizados en la fabricación de circuitos integrados.
DIAFRAGMA. Elemento sensible formado por una membrana colocada
entre dos volúmenes, la membrana es deformada por la presión
diferencial que le es aplicada.
E
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL. Es el instrumento que recibe las
señales del sistema tomadas por el controlador y las ejecuta directamente
sobre la variable controlada.
ESTADO ESTACIONARIO. Es aquel punto donde todas las variables en
términos per cápita efectivo permanecen constantes.
ERROR. Es la diferencia entre el valor leído del instrumento y el valor real
de la variable.
G
GRAFICADORES. Son programas informáticos que gracias a dibujos
vectoriales o mapa de bits, representación de una imagen por pequeños
puntos o píxeles con un color y luminosidad determinada, nos ayudan a
crear ilustraciones desde un logotipo o cualquier otra ilustración
profesional.
H
HMI. (Human Machine Interface) Interfaz Hombre Máquina.
HISTÉRESIS. Diferencia máxima entre los valores de salida del
instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida cuando
la variable recorre toda la escala en los dos sentidos ascendente y
descendente, viene expresada en tanto por ciento de alcance.
I
INSTRUMENTO. Es un dispositivo que se encarga de interpretar señales
proporcionales a la magnitud de la variable.
INTERFAZ DE USUARIO. Es el medio con que el usuario puede
comunicarse con una máquina, un equipo o una computadora, y
comprende todos los puntos de contacto entre el usuario y el equipo,
normalmente suelen ser fáciles de entender y fáciles de accionar.
M
MICROPROCESADOR. Es el circuito integrado central y más complejo de
una computadora u ordenador; a modo de ilustración, se le suele asociar
por analogía como el "cerebro" de una computadora.
MECANISMO. Es un conjunto de sólidos resistentes, móviles unos
respecto de otros, unidos entre sí mediante diferentes tipos de uniones,
llamadas pares cinemáticos (pernos, uniones de contacto, pasadores,
etc.), cuyo propósito es la transmisión de movimientos y fuerzas.
P
PERTURBACIONES. Señal que afecta la respuesta real del sistema
produciendo un error en la medida, ejemplo los campos magnéticos, la
inductancia etc. según la sensibilidad individual.
PROCESOS. Es un desarrollo que es realizado por un conjunto de
elementos cada uno con ciertas funciones que gradual y progresivamente
producen un resultado final.
PID. Acción de control Proporcional-Integral-Derivativo.
PLC. Programmable Logic Controller .Controlador Lógico Programable.
PUERTOS DE COMUNICACIÓN. Es el elemento en donde se
intercambian datos con otro dispositivo
R
RAM. Es la abreviatura de Random Access Memory, es la memoria de
trabajo de la CPU. Contiene el programa y los datos a los que accede el
programa durante su ejecución.
RESISTENCIA ELÉCTRICA. Se define como la oposición que ofrece un
cuerpo a un flujo de corriente que intente pasar a través de sí.
RETROALIMENTADO. Es un proceso por el que una cierta proporción de
la señal de salida de un sistema se redirige de nuevo a la entrada. Esto es
frecuente en el control del comportamiento dinámico del sistema.
ROM. Es la abreviatura de Read Only Memory, que es la memoria de solo
lectura, esta es una memoria permanente cuyo contenido no puede ser
modificado.
S
SENSIBILIDAD. Es la entrada más pequeña que puede proporcionar una
salida específica.
SEÑAL. Salida que emana del instrumento. Información representativa de
un valor cuantificado.
SET POINT. Punto en que una señal se establece bajo ciertos parámetros
deseados. Es un punto de consigna para valor de la señal de la variable.
SENSOR. Es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o
químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en
variables eléctricas.
SISTEMA DE CONTROL. Es un conjunto de componentes que pueden
regular su propia conducta o la de otro sistema con la finalidad de obtener
un funcionamiento establecido.
SOFTWARE. Conjunto de programas que ejecuta un computador o PLC.
T
TRANSDUCTOR.
Dispositivo
que
recibe
una
o
varias
señales
provenientes de la variable medida y pueden modificarla o no en otra
señal.
TIEMPO MUERTO. Intervalo de tiempo desde el momento en que la señal
aparece en la entrada de un componente, y el momento en que la
respuesta correspondiente, aparece en la salida.
TIA. (Totally Integrated Automation) Integración total de automatización,
software de SIMATIC.
V
VARIABLE. Es cualquier elemento que posee características dinámicas,
estáticas, química y físicas bajo ciertas condiciones, que constantemente
se pueden medir.
VARIABLE CONTROLADA. Es la variable directa a regular, sobre la que
constantemente estamos pendientes ya que afecta directamente al
sistema del proceso, es decir, es la que dentro del bucle de control es
captada por el transmisor para originar una señal de retroalimentación.
ANEXO B
HOJAS DE ESPECIFICACIONES
TÉCNICAS
ANEXO C
PROGRAMACIÓN
DEL PLC S7 - 1200
ANEXO D
MANUAL TÉCNICO DE POSIBLES
FALLAS Y SOLUCIONES
FALLAS
EL módulo didáctico no
enciende.
SOLUCIONES

Verificar si existe energía de
alimentación para el módulo.

Verificar las conexiones al
sistema.

Verificar el interruptor de
red.

Verificar si el contactor que
se
encuentra
módulo
está
dentro
del
activado
o
resetearlo.
El PLC no enciende.

Verificar si el interruptor del
PLC
que
dentro
se
del
encuentra
módulo
está
encendido.

Revisar
las
conexiones
internas de alimentación del
PLC.

Verificar si el fusible del PLC
que se encuentra dentro del
módulo
se
encuentre
en
perfectas condiciones.
La pantalla táctil no enciende.

Verificar si el interruptor de
la pantalla que se encuentra
dentro
del
módulo
está
encendido.

Verificar si la fuente de
alimentación de 24 Vdc está
funcionando correctamente.

Verificar si el fusible de la
fuente de 24 Vdc que se
encuentra dentro del módulo
se encuentre en perfectas
condiciones.
El trasmisor de temperatura no

enciende.
Verificar
las
externas
al
conexiones
costado
del
módulo.

Verificar si la conexión en el
panel frontal sea correcta.

Verificar si la fuente de
alimentación de 24 Vdc está
funcionando correctamente.

Verificar si el fusible de la
fuente de 24 Vdc que se
encuentra dentro del módulo
se encuentre en perfectas
condiciones.
El horno no funciona.

Verifica si el interruptor del
horno en el panel frontal
esta encendido.

Verificar
horno
los
que
dentro
fusibles
se
del
del
encuentra
módulo
se
encuentre en buen estado.

Verificar
si
el
driver
de
accionamiento de triac’s está
alimentado por 110Vac.

Verificar
entre
las
el
conexiones
driver
de
accionamiento de triac’s y el
horno esté en buen estado.

Verificar el interruptor de
selección
entre
accionamiento de triac’s y
control externo se halle en la
posición
adecuada
de
acuerdo a la aplicación que
se encuentre en ejecución.

Verificar si las conexiones
entre la salida analógica de
corriente (4-20mA) al driver
de accionamiento de triac’s
en
el
panel
frontal
son
correctas.

Verificar
si
existe
señal
eléctrica entre la salida de
corriente
del
analógico
módulo
driver
de
accionamiento de triac’s.
La pantalla táctil no registra las

Verificar si el cable Ethernet
entre el PLC y la pantalla
curvas del proceso.
táctil esté bien conectado.

Verificar si el PLC está en
modo RUN.
La temperatura del horno no

incrementa.
que
la
válvula
reguladora de presión PR2
disminuye.
La temperatura del horno no
Verificar
se encuentre abierta.

Verificar
que
la
válvula
reguladora de presión PR1
no se encuentre abierta al
máximo.
No funciona ninguna operación

Verificar si el cable Ethernet
entre el PLC y la pantalla
del sistema.
táctil esté bien conectado.

Verificar si el PLC está en
modo RUN.

Volver a cargar desde una
PC los programas diseñados
para cada dispositivo.
Latacunga, Enero 2014
ELABORADO POR:
Freddy Cuji S.
C.I.: 0502972250
APROBADO POR:
Ing. José Bucheli A.
DIRECTOR DE LA CARRERA DE ELECTRÓNICA E
INSTRUMENTACIÓN
CERTIFICADO POR:
Dr. Rodrigo Vaca C.
SECRETARIO ACADÉMICO
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