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PROPUESTA PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA SCADA EN LA
CENTRALIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES
PARA OPERACIÓN BAJO DEMANDA
NATALIA GUERRERO DUEÑAS
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS TUNJA
DIVISIÓN DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
TUNJA
2021
PROPUESTA PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA SCADA EN LA
CENTRALIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES
PARA OPERACIÓN BAJO DEMANDA
NATALIA GUERRERO DUEÑAS
TRABAJO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERA ELECTRÓNICA
DOCENTES TUTORES
ING. PABLO ANDRÉS ÁLVAREZ CAMARGO, M.SC. (c)
ING. CARLOS ALBERTO CARDONA COY, M.SC.
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS TUNJA
DIVISIÓN DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
TUNJA
2021
NOTA DE ACEPTACIÓN
Firma Jurado
Firma Jurado
Tunja, Boyacá. Octubre 2021.
DEDICATORIA
El presente trabajo de grado se lo dedico a mis padres y a mi hermano, quienes me han
brindado incansablemente su amor y su apoyo incondicional en cada una de las etapas de mi
vida. Ellos han sido y seguirán siendo el pilar más grande de todas y cada una de las metas
que logre alcanzar. Se lo dedico especialmente a mi madre Martha Cecilia Dueñas López,
porque ella es el ejemplo claro de ser una guerrera ante la vida, y ha sido mi mayor motivación
durante todo este camino.
También quiero dedicar este trabajo a todos aquellos familiares que brindaron su ayuda
a mi familia y a mí, porque gracias a su cariño y su apoyo contribuyeron enormemente en mi
proceso de formación como profesional.
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer en primer lugar a Dios y a la vida por brindarme la oportunidad, y la
fortaleza necesaria para culminar este proceso académico, a mis padres y a mi hermano, por
ser mi apoyo incondicional y mi principal motivación a lo largo de la carrera.
A mi director de grado, ingeniero Pablo Andrés Álvarez Camargo y codirector, ingeniero
Carlos Alberto Cardona Coy por su acompañamiento, asesoría, apoyo, conocimiento y
colaboración tanto en mi proceso de culminación académica, como en cada una de las etapas de
mi formación como profesional.
A la empresa Holcim – Planta Nobsa, por permitirme realizar mi pasantía. Especialmente
al Ingeniero William Alexander Rosas Mesa, quien me aportó una gran cantidad de
conocimientos, y se interesó constantemente en mi formación como Ingeniera Electrónica.
A la Universidad Santo Tomás Tunja, principalmente a la respetada facultad de Ingeniería
Electrónica por permitirme realizar mi pregrado y poder culminar esta meta.
Tabla de Contenido
GLOSARIO ................................................................................................................................3
RESUMEN .................................................................................................................................4
I. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................5
II. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................................6
III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...............................................................................7
III. I. FORMULACIÓN DE PREGUNTAS .............................................................................7
III. II. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .................................................................................7
III. III. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA ..........................................................................9
IV. OBJETIVOS .........................................................................................................................11
Objetivo General .....................................................................................................................11
Objetivos Específicos ..............................................................................................................11
V.MARCO TEÓRICO ............................................................................................................... 12
Concepto de Automatización, Planta de Cemento Holcim, Nobsa .......................................... 12
Sistema de Automatización ................................................................................................... 15
Componentes del Sistema ...................................................................................................... 16
Profibus ................................................................................................................................. 17
Profibus DP ........................................................................................................................... 18
Uso de aire comprimido en la Industria del Cemento ............................................................. 18
Compresores de aire en la empresa Holcim, planta Nobsa ..................................................... 20
Partes del compresor ............................................................................................................. 21
Equipos generadores de aire comprimido en la empresa Holcim ............................................ 22
VI. ESTADO DEL ARTE ......................................................................................................... 26
VII.DISEÑO METODOLÓGICO ............................................................................................. 28
Recopilación de la información ............................................................................................. 28
Generación de diagrama P&D y Programación en PLC ......................................................... 29
Generación Sistema SCADA ................................................................................................. 29
VIII. ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS ......................................................................... 30
IX.RESULTADOS ................................................................................................................... 35
Elaboración diagrama P&D ................................................................................................... 35
Propuesta sensor de presión ................................................................................................... 37
Programación en PLC............................................................................................................ 39
Elaboración sistema SCADA en HMI .................................................................................... 43
X.CONCLUSIONES ................................................................................................................ 49
XI.BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 51
1
Lista de Figuras
Fig. 1. Proceso de fabricación del cemento en la planta Holcim Nobsa ...................................... 13
Fig. 2. Principales componentes de SIMATIC PCS7 ................................................................. 16
Fig. 3. Máquina ensacadora de cemento. ................................................................................... 19
Fig. 4. Partes del compresor de tornillo...................................................................................... 22
Fig. 5. Principio de funcionamiento de un compresor tornillo .................................................... 24
Fig. 6. Procesos de seguimiento y control. ................................................................................. 28
Fig. 7. Gestión de materiales y servicios y SAP Logon 750. ...................................................... 30
Fig. 8. Seguimiento de materiales y servicios en SAP Logon 750……………………………... 31
Fig. 9. Creación de hojas de entrada en SAP Logon 750 ............................................................ 32
Fig. 10. Creación diagrama P&D del funcionamiento básico de aire comprimido. ..................... 36
Fig. 11. Sensor de presión IFMPI1696. ..................................................................................... 37
Fig. 12. Diagrama de conexión del sensor de presión IFMPI1696 .............................................. 39
Fig. 13. Primera parte ‘Algún motor (compresor) está arrancando’. ........................................... 40
Fig. 14. Arranque del compresor 1 ............................................................................................ 41
Fig. 15. Estado de paro y fallo del compresor 1 ......................................................................... 41
Fig. 16. Contador de los compresores ........................................................................................ 42
Fig. 17. Funcionamiento básico del sistema de aire comprimido................................................. 42
Fig. 18. Sistema SCADA, estado de paro de los compresores ..................................................... 43
Fig. 19. Sistema SCADA, estado de arranque y marcha de los compresores ............................... 44
Fig. 20. Sistema SCADA, estado de marcha de los compresores ................................................ 45
Fig. 21. Sistema SCADA, estado de fallo de los compresores .................................................... 46
Fig. 22. Sistema SCADA, contador de horas marcha y áreas donde se ubican los compresores...47
Fig. 23. Sistema SCADA, funcionamiento sistema de aire comprimido en zona de Clinker ........ 48
2
Lista de Tablas
Tabla 1. Equipos generadores de aire comprimido, Planta Holcim Nobsa ....................................9
Tabla 2. Equipos generadores de aire comprimido ..................................................................... 23
Tabla 3. Ficha técnica sensor IFMPI1696 .................................................................................. 38
3
GLOSARIO
Caudal de aire: volumen de aire libre en 𝑚3/𝑚𝑖𝑛.
Tanque receptor de aire: tanque utilizado para el almacenamiento de aire comprimido.
Demanda artificial: consumo de aire adicional causado por una presión
excesiva del sistema.
Capacidad: la cantidad de caudal de aire entregado o requerido bajo algunas condiciones
específicas.
Metro cúbico por minuto (𝒎𝟑/𝐦𝐢𝐧): la medida más común de
caudal/volumen de aire en el sistema métrico.
Entrada de metro cúbico por minuto (I𝒎𝟑/𝐦𝐢𝐧): caudal que fluye a través
del filtro de entrada del compresor o la válvula de entrada en condiciones
nominales.
Estándar metro cubico por minuto (𝑺𝒎𝟑/𝐦𝐢𝐧): caudal de aire libre medido en un punto de
referencia y convertido a un conjunto estándar de condiciones de referencia.
Demanda: caudal de aire bajo condiciones específicas requeridas en un punto particular.
Presión de descarga, nominal: presión de aire producida por el compresor.
Presión de descarga, requerida: presión de aire requerida desde el compresor al consumo.
Presión: fuerza por unidad de área. Se puede medir en 𝑘𝑔/𝑐𝑚2, bar, psi, pascales, etc.
Bar: medida estándar del sistema métrico. Es utilizada para presión de aire comprimido y es
medida en los manómetros de los compresores y otros neumáticos.
4
RESUMEN
En este documento se presenta el desarrollo de la propuesta de un sistema SCADA
realizado para la empresa Holcim, planta de cemento Nobsa; así como otras funciones
adicionales que me fueron asignadas en el tiempo en el que se llevó a cabo la pasantía en dicha
empresa. Para la realización de este proyecto se aplicaron los conocimientos adquiridos a lo
largo de la carrera, en áreas como sistemas SCADA y Redes Industriales. Por consiguiente, se
presentan los resultados obtenidos con la realización del proyecto, debido a que con esta
propuesta se buscaba generar un proceso de monitoreo hacia las 6 máquinas de aire comprimido,
con la finalidad de que el operario pueda tener un mayor control y supervisión de los equipos de
forma remota.
5
I. INTRODUCCIÓN
Holcim es una empresa suiza, productora y comercializadora de cemento y áridos (piedra
caliza, arena y grava), así como otros materiales como hormigón premezclado y combustibles
alternativos. En Colombia, el trabajo de la compañía se concentra en: producción y
comercialización de cementos y concretos; extracción de calizas, puzolana y yeso; servicios
especializados de transporte de materiales y productos a través de Transcem S.A.S y servicio de
disposición final ecológica de residuos industriales, con Geocycle.
Dentro de las áreas principales que conforma la planta de cemento ubicada en Nobsa,
Boyacá, se encuentra el área de ‘Infraestructura y Proyectos’, área especializada que estructura
soluciones acordes y especificas con las necesidades para cada obra en los grandes proyectos de
infraestructura en los sectores eléctricos, electrónicos, civiles y mecánicos dentro de la planta.
Por lo descrito anteriormente, dicho departamento de la empresa se encarga del
mantenimiento de aire comprimido de la planta. Actualmente las máquinas que conforman el
sistema de aire comprimido se encuentran trabajando de forma independiente, por lo cual se
lanzó la propuesta de realizar un sistema SCADA, con el fin de centralizar dichos equipos, y así
obtener un mejor control y seguimiento de los mismos. Por consiguiente, la elaboración del
proyecto que se trata en este documento, hace referencia al diseño de un sistema SCADA
realizado en TIA PORTAL, mediante el PLC S7 300 Siemens, pues al contar con dicho sistema,
la persona encargada de estar bajo la supervisión y monitoreo de las máquinas lo podrá realizar
de forma remota, desde sala de control. Logrando obtener una optimización del tiempo
empleado en dichas funciones y una buena herramienta de monitoreo, la cual ayudará con el
reconocimiento temprano de fallas, permitiendo una intervención inmediata.
6
II. JUSTIFICACIÓN
Al contar las 6 máquinas generadoras de aire comprimido con un sistema de monitoreo,
se pretende realizar un sistema cuyo control sea ON/OFF, con el fin de mantener la supervisión
de cada una de ellas, y así poder llevar el arranque o paro de las máquinas de forma remota desde
sala de control, a su vez, informar a la persona encargada en sala sobre las condiciones en que se
encuentran trabajando dichas máquinas, generando de alguna manera ahorro de tiempo, ahorro
energético y equilibrio financiero.
7
III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
III. I. FORMULACIÓN DE PREGUNTAS
1. ¿Cuáles son las consecuencias a largo plazo de los equipos al no ser supervisados y/o
controlados de forma remota?
2. ¿Cómo puede afectar el arranque y paro manual de los equipos en el tiempo de
identificación de falla de los mismos?
III. II. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
La planta de cemento Holcim-planta Nobsa, cuenta para su operación con un sistema
de aire comprimido conformado por 6 máquinas generadoras de aire comprimido ON/OFF,
todas las máquinas se encuentran operando localmente, sin identificación de alarmas, fallas y
sin supervisión ni control desde el PCS o sala de control. Una falla en una de las máquinas
puede poner en riesgo la operación por no detectarse a tiempo. Ya que existiría un enorme
riesgo en la operación por no realizar una detección temprana de fallas de equipos de aire
comprimido. Otra problemática sería un consumo alto de energía eléctrica al no usar las
máquinas de acuerdo a la demanda de aire de proceso, y por ende sería una desventaja para los
operarios al no poder apagar los equipos de forma remota.
Se propone el diseño de un sistema SCADA, cuyo fin sea el de realizar el monitoreo y
la integración y/o unificación de los compresores de la planta Holcim, teniendo en cuenta que
los 6 compresores provienen de dos tipos de fabricante (Kaeser y Atlas Copco), para ellos, es
necesario elegir qué tipo de gobernador o panel HMI es el más apto para realizar la respectiva
centralización. A su vez, definir los parámetros de control que deben ir dentro del PLC, como,
por ejemplo, el conteo de las horas marcha de cada máquina, y un mensaje de servicio de
8
mantenimiento del compresor una vez llegue a sus horas marcha límite.
9
III. III. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA
La planta de cemento Holcim-Nobsa, cuenta con 6 máquinas para la generación de aire
comprimido, provenientes de dos tipos de fabricante: Atlas Copco y Kaeser, el trabajo que
realizan estas máquinas depende de la demanda que requiera la producción. Estas máquinas
disponen de un contador horario para registrar las horas de funcionamiento. Actualmente los
compresores de aire comprimido se encuentran operando de forma independiente (ON/OFF),
sin identificación de alarmas, fallas y sin supervisión ni control desde el PCS o sala de control.
Este grupo está conformado por las siguientes máquinas que aparecen en la Tabla 1.
Tabla 1. Equipos generadores de aire comprimido, Planta Holcim Nobsa.
Fuente: Planta Holcim.
La tabla anterior contiene un listado en el cual se mencionan las seis máquinas a cargo
del suministro de aire para el proceso, los compresores se encuentran interconectados por una
red de tuberías, por lo tanto, es posible controlarlo como un único sistema, a su vez, es posible
el seccionamiento de áreas mediante válvulas manuales ubicadas en campo; esto permite aislar
áreas de proceso por posibles fallas en el sistema que puedan afectar el mismo.
10
En este caso las máquinas las máquinas se encuentran trabajando de forma
independiente. Cuando el operador selecciona el modo (LOCAL) habilita comandos de
arranque y paro desde panel de operación de cada máquina, la carga y descarga de cada
compresor dependen de la configuración local de cada máquina. Por lo tanto, se plantea la
siguiente alternativa, la cual trata sobre la unificación o centralización de estos equipos en un
solo sistema de control.
Para este caso, cuando el operador seleccione este modo (LAN) los compresores serán
gobernados por el controlador o panel HMI ‘SAM’ de la empresa fabricante KAESER. Este
dispositivo gestionará los compresores teniendo en cuenta el perfil de consumo de aire
comprimido de planta en un intervalo de tiempo, mejorando el consumo energético y la
rotación de las máquinas. De este modo se habilita la opción de comandar cada máquina
remotamente desde el PCS, y el operador tendrá un mayor control sobre ellas.
El tiempo en el que será desarrollado el proyecto, el cual corresponde al tiempo en el
que se realizó la pasantía en la planta.
El presupuesto que se piensa invertir una vez se reciba la aprobación de la propuesta
del proyecto en la empresa, ya que se busca plantear una solución a la planta de cemento
Holcim, específicamente a las 6 máquinas generadoras de aire comprimido, ya que de esta
manera se beneficia la empresa, y los operarios que se encarguen de la supervisión y control de
las máquinas.
11
IV. OBJETIVOS
Objetivo General
Elaborar la propuesta de un sistema SCADA, para la centralización de la operación de
los compresores para operación bajo demanda.
Objetivos Específicos
Elegir el tipo de gobernador o panel HMI más apto para realizar la respectiva
centralización de los 6 compresores de aire comprimido.
Realizar un diagrama P&ID, que explique el proceso y la propuesta del sistema de
monitoreo para las máquinas generadoras de aire comprimido.
Elaborar la programación del PLC, a partir de los parámetros que contienen las
máquinas, con el fin de realizar su debida supervisión y llevar un monitoreo sobre
ellas.
12
V. MARCO TEÓRICO
En primer lugar, se caracterizará el marco teórico en el cual se acopla el tema
escogido, y para ellos se profundiza en dos aspectos clave.
El primero centrado en los conceptos importantes del proceso de automatización de la
empresa Holcim-planta Nobsa junto con el funcionamiento de las 6 máquinas generadoras de
aire comprimido.
En segundo lugar, se desarrollará un exhaustivo estado del arte en relación a los
artículos, los autores y las instituciones que han abordado el tema. Dicho análisis, permite
resumir el conocimiento que se ha adquirido durante el proceso en el cual se desarrolló la
práctica empresarial. Adicionalmente se aplicará la metodología del PMI (Project
Management Institute) bajo la guía de los fundamentos para la dirección de Proyectos (Guía
del PMBOK), ya que mediante este conjunto de directrices y/o estándares generalmente se
fomentan las prácticas para la gestión de proyectos en cualquier campo de la industria o
comercio.
Concepto de Automatización, Planta de Cemento Holcim, Nobsa
A continuación, se realizará una breve descripción del proceso de fabricación de
cemento, a partir de varios documentos guía pertenecientes al área de Automatización de la
empresa Holcim-Planta Nobsa; Las fuentes tomadas para esta descripción son provenientes
del conocimiento de operación del sistema de control y responsables de operación de los
equipos. El siguiente diagrama representado en la Fig.1. presenta el proceso de fabricación de
cemento de la empresa.
13
Fig. 1. Proceso de fabricación del cemento en la planta Holcim Nobsa.
Fuente: Planta Holcim
.
Extracción y Trituración: La materia prima se obtiene a partir de un
yacimiento constituido principalmente por calizas, que presentan diferentes
porcentajes de carbonatos. Las rocas fragmentadas por la voladura se trasladan
a la zona de trituración por medio de camiones de gran capacidad.
Pre-homogenización: Las rocas ingresan a la trituradora Hazemag con
tamaños hasta de 100 cm y son reducidos a menos de 10 cm pasando después
por el analizador en línea, en donde se controla la calidad química del material.
La pre-homogenización es un almacenamiento que se realiza en un patio en el
cual se disponen las calizas trituradas en capas uniformes, conformando pilas
de 12000 toneladas, y posteriormente son transportadas hacia la molienda de
crudo.
14
Molienda de crudo: Las materias primas (calizas de las pilas y mineral de
hierro) son dosificados e ingresan al molino dosificados e ingresan al molino
de crudo vertical en donde salen en forma de polvo o harina. La harina cruda es
almacenada en un silo de capacidad de 2500 toneladas en el cual es
homogeneizado continuamente con aire.
Fabricación de Clinker: La harina homogeneizada es llevada hacia el horno
en donde se eleva la temperatura de 80°C hasta 1450°C y después de un fuerte
enfriamiento sale el Clinker a una temperatura de 150°C. Posteriormente es
llevado hacia el almacenamiento en 3 silos con una capacidad total de 50000
toneladas. En cuanto a la preparación del combustible, el que se utiliza en el
horno es el carbón y su preparación es similar a la harina de crudo.
Prensado de Clinker: El Clinker granulado almacenado en los silos pasa
después a una pre-molienda (prensado de Clinker) en donde se reduce el
tamaño del Clinker a una finura cercana a la del cemento y así aumentar el
rendimiento en los molinos.
Fabricación de cemento (Molienda de cemento): El Clinker prensado, el
yeso, y las adiciones adecuadamente dosificadas, ingresan al molino de
cemento. El producto saliente posee una determinada granulometría o finura y
se llama CEMENTO.
Empaque y despacho de cemento: Los cementos son almacenados en los
silos según su tipo y se despachan a granel (En contenedores de
aproximadamente 32 toneladas) y empacado (En paletizado y arrumes).
15
Sistema de Automatización
Generalmente se usa el siguiente componente estándar para el sistema de
automatización de empresa Holcim-Planta Nobsa:
1. Se ha definido el software PCS de Siemens, basado sobre la plataforma PCS7 de
Siemens.
2. El estándar para el PCS software es Siemens (CEMAT-Holcim). Según la empresa
Siemens, considerada como la mayor empresa de fabricación industrial de Europa
con 190 sucursales a lo largo del mundo, afirma que “PCS7 Minerals Automation
Estándar CEMAT, el innovador sistema de control de procesos para las industrias
del cemento, materiales de construcción y minería versión 8.1, se basa en el
sistema de control de procesos SIMATIC PCS 7 V 8.1, y cumple con todos los
aspectos de la cadena de producción completa, desde la extracción de materias
primas hasta el envasado del producto terminado.”
Para el caso de la empresa existe un manual o documento, el cual explica que es un
sistema CEMAT-Holcim PCS estándar. El documento contiene recomendaciones e
información sobre planificación y construcción de las soluciones de automatización
PCS7 CEMAT e incluye:
Arquitectura del sistema estándar.
Descripción breve de los componentes del sistema (bloques de construcción).
Consideraciones de diseño y configuración.
16
Ejemplo de planificación de proyecto (referencia de implementación).
Requisitos de formación
Referencia/cálculo de precio.
Cálculo del rendimiento del sistema.
Simulación y pruebas.
El documento mencionado anteriormente se dirige únicamente a las personas implicadas en la
configuración y mantenimiento de los servicios de automatización. (Expertos en
automatización, responsables de proyectos PCS e ingenieros de proyecto).
Componentes del sistema
La siguiente configuración representada en la Fig.2. debe considerarse un ejemplo de
configuración que abarca los principales componentes de SIMATIC PCS7:
Fig. 2. Principales componentes de SIMATIC PCS7.
Fuente: Planta Holcim
17
O/S de estación única/cliente.
Estación de ingeniería.
Servidor red/estructura de cliente.
Redes Ethernet industriales con tecnología de conmutación.
Sistemas de automatización.
Proceso I/O central distribuido (PROFIBUS DP).
Dispositivos para zonas peligrosas y no peligrosas.
Sistemas de proceso I/0 centralizados y periféricos
Según la empresa de fabricación industrial Siemens, sistema de control de procesos
PCS7 ofrece varias posibilidades de conexión y dispositivos de E/S y detección y emisión de
señales de proceso mediante sensores y accionadores.
Sistemas I/O periféricos ET200M con amplia gama de módulos de señal conectados al
sistema de automatización (AS) a través de PROFIBUS DP.
Conexión directa al AS de dispositivos de proceso/campo periférico inteligentes y de
operadores de terminales a través de PROFIBUS DP/PA (también es posible la conexión
redundante o en zonas peligrosas 0, 1 o 2.
PROFIBUS
Protocolo de comunicación de red digital de campo abierto (bus de campo) que se
encarga de la comunicación entre los sensores de campo y el sistema de control. A nivel de
campo, los periféricos distribuidos, como módulos de E/S, transductores, accionamientos,
válvulas y paneles de operación funcionan en los sistemas de automatización, a través de un
eficiente sistema de comunicación en tiempo real, el PROFIBUS DP o PA.
18
PROFIBUS DP
Es la solución de alta velocidad. Fue desarrollado específicamente para la comunicación
entre los sistemas de automatización y los equipos descentralizados. Es aplicable en sistemas
de control donde se enfatiza el acceso a dispositivos distribuidos de E/S. Utiliza la interfaz
estándar de la capa física de comunicación RS-485 o fibra óptica. Requiere menos de dos
minutos para transmitir 1 kbyte de E/S y se utiliza principalmente en sistemas de
automatización industrial.
Uso del aire comprimido en la Industria de Cemento
El cemento es la base de la construcción y el aire comprimido se utiliza para producirlo.
Por tanto, un funcionamiento fiable del aire comprimido es esencial para abastecer al sector de
la construcción.
Uno de los usos más comunes del aire comprimido en la industria del cemento es
utilizarlo como fuente de energía para mover los materiales en el proceso de fabricación de
cemento y para alimentar herramientas que pueden soportar las duras condiciones del proceso y
mucho más. Cumple la función de fluidización de silos, ya que, al aflojar, mezclar y descargar
material a granel, se sopla aire en un silo para ponerlo en estado líquido. Y para mantener la
calidad de aireación de su silo de cemento. Por ejemplo, en el área de empaque de la empresa
Holcim-Planta Nobsa, se usa una de las máquinas compresoras de aire más potentes (GA315
VSD), ya que el área de empaque es una de las zonas donde más demanda de operación se
requiere; básicamente el compresor alimenta toda la línea de empaque del sistema de granel,
como, por ejemplo, a la máquina ensacadora, esta máquina está especializada en una fase muy
concreta del proceso industrial: el envasado del producto. La función de la ensacadora es
introducir fácilmente el producto a granel en diferentes formatos de saco, por ende, en esta
máquina se hace uso de aire comprimido, ya que en el momento que se está cumpliendo el
proceso de envasado, la máquina llena el saco por medio de una boquilla, la cual mediante aire
19
comprimido llena de cemento más fácilmente el saco, como se muestra en la Fig.3.
Fig. 3. Máquina ensacadora de cemento.
Fuente: Ensacadoras rotativas Haver & Boecker Roto-Packer - Envase y Embalaje - Ensacadoras rotativas. (2021, 22 noviembre).
Máquina Ensacadora. http://www.interempresas.net/Envase/FeriaVirtual/Producto-Ensacadoras-Haver-Boecker-Roto-
Packer-120416.html
Y también aplica para el silo 14000 que es el silo donde los operarios llenas las pipas a
granel. El aire comprimido cumple también una función importante en el transporte del
cemento a granel, para este caso, se hace uso del aire comprimido con el fin de descargar el
material. Aquí se regulan los controles para dar la mezcla adecuada de aire y cemento que lleva
el material hasta el silo de obra.
Por la dimensión de estos vehículos y por el peso del material, el acceso al silo debe ser
lo más cómodo y tratable posible, es decir, libre de materiales que impidan el movimiento del
vehículo y su fácil maniobra. El silo no puede estar ubicado a una distancia muy grande del
lugar de estacionamiento del vehículo, pues las mangueras para la conexión del vehículo al
silo, restringen esta distancia máxima. De igual manera, hay que tener en cuenta la inspección
del estado de los sellos de seguridad que se encuentran en compuertas y válvulas del vehículo a
despachar, al momento de recibir el cemento a granel. El silo de almacenamiento debe contar
con un sistema de filtros, para mitigar las emisiones de polvo de cemento a la atmosfera, y así
mantener despejados los ductos de desfogue y los dispositivos de ventilación para prevenir
20
daños ocasionados por la presurización del cemento durante su descargue.
El aire comprimido se usa también cuando se calientan las materias primas utilizadas en
la industria del cemento, se usa aire de combustión (horno), y el suministro de aire debe ser
constante para evitar que el calor desparezca o se agote. Según la empresa fabricante de
compresores Atlas Copco, “la temperatura del aire es directamente proporcional a la energía
cinética media de esas moléculas.” Eso significa que la temperatura del aire será alta si la
energía cinética media es grande (y las moléculas de aire se mueven más rápido). La
temperatura será baja cuando la energía cinética sea pequeña.
Así, también el suministro de aire durante el proceso de enfriamiento es crucial, ya que
está directamente relacionado con la cantidad de residuos, producto del proceso de fabricación
del cemento. Es por ello que controlar el flujo de aire es clave.
Otra de las funciones adicionales del aire comprimido que se aplica en la planta de
cemento Holcim, es “transportar de manera vertical” o como un elevador de aire para
transportar materiales a alturas de más de 100 metros/330 pies. En la empresa, aplicaban este
método en la zona denominada ‘Pfister de carbón’. Se requiere del uso de aire comprimido en
esa zona para el transporte del carbón pulverizado hacia el calcinador y el quemador principal y
ayudar a mantener los niveles de temperatura adecuados que se deben cumplir en el horno, todo
esto también gracias al aire comprimido.
Compresores de aire en la empresa Holcim, planta Nobsa (Sistema de aire comprimido)
Según la empresa de ingeniería y fabricación de aire comprimido CompAir,
especializada en sistema de aire comprimido y gas, define al aire comprimido como “una
presión superior a la atmosférica. Es exactamente el mismo aire que se respira, pero reducido a
un volumen inferior y mantenido a presión. El aire está compuesto por un 78% de nitrógeno, un
20-21% de oxígeno, y 1-2% de otros gases y vapor de agua. Una vez comprimido el aire tiene
la misma composición de gases, pero ocupa menos espacio y junta sus moléculas.”
21
¿Cómo se comprime al aire?
El aire se comprime con compresores de aire. Los compresores de aire absorben aire a
través de una válvula de entrada, lo comprimen al volumen deseado y lo descargan presurizado
a un depósito a través de una válvula de salida. Por lo general, el proceso de compresión se
realiza con un motor eléctrico.
Partes del compresor
A continuación, se presenta un esquema en la Fig.4. de un compresor de aire de la
empresa Kaeser con las partes que conforman dicha máquina:
1. Engranaje de sincronización: Los tornillos no se encuentran en contacto, este
engranaje es el responsable de que ambos tornillos giren en el sentido
correspondiente.
2. Rodamiento del rotor: encargado del eje principal del motor.
3. Separador: mantiene separado los tornillos de la zona de transmisión donde se
ubican engranajes de sincronización y rodamientos.
4. Rotor hembra: formado por espacios llamados alveolos.
5. Empaques: no permite que algún fluido salga por el compresor.
6. Piñón: responsable del movimiento del sistema.
7. Canal refrigerante: se encarga de mantener la temperatura estable.
8. Rotor macho: formado por lóbulos.
9. Orificio de ventilación: trabajo en equipo con el canal refrigerante con el mismo
objetivo.
10. Puerto de salida: permite la salida de fluidos.
11. Orificio de drenaje: permite la salida de fluidos de la cámara compresora.
12. Pistón de equilibrio: mantiene a los ejes a la misma distancia.
22
Fig. 4. Partes del compresor tornillo.
Fuente: Generator, M. (2017, June 8). ¿Cómo funciona un compresor de
tornillo? Airecomprimidokaeser.Com.
Equipos generadores de aire comprimido en la empresa Holcim-Nobsa
El grupo está conformado por las siguientes máquinas como se muestra en la Tabla 1:
Tabla 1. Equipos generadores de aire comprimido, Planta Holcim Nobsa.
Fuente: Planta Holcim.
La tabla 2 que se muestra a continuación, contiene la referencia de cada máquina, el área
al que pertenece, y una foto la cual representa la máquina mencionada.
23
Tabla 2. Equipos generadores de aire comprimido, Planta Holcim Nobsa.
Fuente: Planta Holcim.
Este grupo está conformado por compresores de tornillo, como se observa en la tabla
anterior. Según la empresa fabricante de compresores KAESER, “el compresor de tornillo es
una máquina, que por medio de dos tornillos (hembra y macho) comprime el aire.” Empezando
con el motor que transmite energía mecánica a la caja o deposito del compresor a través de una
polea. Al momento que los tornillos empiezan a girar, crean una succión por la toma de aire
mientras va aumentando la presión del mismo, a través de las cavidades.
La Fig.5. muestra el proceso anteriormente descrito:
24
Fig. 5. Principio de funcionamiento de un compresor tornillo.
Fuente: G Copco, A. (2021, 28 octubre). Principios de funcionamiento del compresor a tornillo. Atlas Copco.
https://www.atlascopco.com/es-ar/compressors/air-compressor-blog/principios-de-funcionamiento-del-compresor-a-
tornillo
En la Fig.5 se puede observar la manera como se reduce progresivamente el volumen del
gas en el compresor de tornillo, ya que se basa su tecnología en el desplazamiento del aire a
través de las cámaras que se crean con el giro simultaneo de dos tornillos (hembra y macho). El
aire o gas llena los espacios creados entre ambos tornillos aumentando la presión según se va
reduciendo el volumen en dichas cámaras o espacios.
El grupo de máquinas generadoras de aire comprimido de la planta Holcim, se encuentra
a cargo del suministro de aire para el proceso, los compresores se encuentran interconectados
por una red de tuberías, por lo tanto, es posible controlarlo como un único sistema, a su vez es
posible realizar el seccionamiento de áreas mediante válvulas manuales ubicadas en campo, esto
permite aislar áreas de proceso por posibles fallas en el sistema que puedan afectar el mismo.
Actualmente cuentan con el siguiente modo de operación: modo de control LOCAL,
cuando el operador selecciona este modo, habilita comandos de arranque y paro desde el panel
de operación de cada máquina, la carga y descarga de cada compresor, dependen de la
configuración local de cada máquina. Por ende, la propuesta va enfocada hacia el modo de
control LAN, ya que, para este caso, cuando el operador seleccione este modo los compresores
serán gobernados por un controlador o panel de control HMI, en los cuales se encontraban los
siguientes: ES360 de la empresa ATLAS COPCO, y el SAM de la empresa KAESER. Este
panel gestionará los compresores teniendo en cuenta el perfil de consumo de aire comprimido de
planta en un intervalo de tiempo, mejorando así, el consumo energético y la rotación de trabajo
de las maquinas.
Centralización de los compresores de aire comprimido
Según la empresa fabricante de compresores de aire, Atlas Copco, hay varios factores
que influyen a la hora de elegir este método de integración de compresores. “En muchos casos,
25
la instalación de un compresor centralizado es la solución ideal, ya que su funcionamiento y
mantenimiento es menos costoso que contar con muchos compresores distribuidos localmente.”
Las plantas compresoras se pueden interconectar de manera eficiente, lo que conlleva un menor
consumo de energía.
Empresas fabricantes como lo son Atlas Copco y Kaeser, vienen implementando este
tipo de control y supervisión dentro de todo el sistema de aire comprimido. Por dicho motivo, se
lanza la propuesta en la planta Holcim, con el fin de que puedan implementar esta centralización
de compresores, ya que una de las grandes ventajas es que sus empresas fabricantes de aire
comprimido disponen de este tipo de funciones.
TIA PORTAL y Sistemas SCADA
(Totally Integrated Automation Portal) es un sistema de ingeniería que permite
configurar de forma intuitiva y eficiente todos los procesos de planificación y producción. El
TIA PORTAL incorpora las nuevas versiones de software SIMATIC STEP7, WinCC y
Stardrive para la programación, parametrización y diagnóstico de los controladores SIMATIC.
Un sistema SCADA (Supervisión, control y adquisición de datos) es un conjunto de
elementos de varias partes bien diferenciadas que juntas componen un sistema de control
industrial. Es un software que permite supervisar un proceso y que está funcionando sobre un
ordenador (bajo un sistema operativo convencional generalmente).
Funciones Principales
Dentro de las funciones principales realizadas por el sistema SCADA se encuentran las
siguientes:
Supervisión: El operador podrá observar desde el monitor el proceso de
funcionamiento de las máquinas de aire comprimido, como cambios que se
produzcan en la operación diaria de la planta, lo que permite dirigir tareas de
26
mantenimiento y reporte de fallas.
Control: Mediante el sistema se puede activar o desactivar los equipos
remotamente (por ejemplo: activar interruptores, encender motores, etc.), de
manera automática y también manual. El operador puede ejecutar acciones de
control.
Representación de señales de alarma: A través de las señales de alarma se logra
avisar al operador frente a una falla o la presencia de una condición perjudicial o
fuera de los aceptable. Dichas alarmas pueden ser visuales o sonoras.
Importancia de un sistema de monitoreo (Condiciones de máquinas)
El principal objetivo de un sistema de monitoreo de condiciones de máquinas es detectar
fallas a tiempo y poder estar atento a como estas fallas se van desarrollando para poder planificar
una intervención. Para el caso de los 6 compresores de aire, se puede presentar anomalías por
vibraciones, por ejemplo, lo cual hace que el operario pueda identificar que algo no está
funcionando bien y que probablemente se está generando una falla que va creciendo poco a
poco.
El ingeniero encargado del mantenimiento de dichas máquinas, en base a su experiencia
y conocimiento sobre una máquina especifica, decidirá cuando es el momento indicado para
actuar. Ya sea cambiando una pieza, reparando la máquina, sustituirla por una nueva, etc. La
información que dispone el ingeniero a partir del uso del sistema de monitoreo le permitirá
tomar la decisión más acertada sobre su máquina.
El arranque y paro de las máquinas de forma remota, contribuye al operario a poder
controlar y supervisar las máquinas, según la necesidad que requiera en el momento. En caso de
presentarse alguna falla, el operario puede tener la capacidad y control de apagar directamente el
equipo desde sala de control, lo cual ahorra tiempo.
27
VI. ESTADO DEL ARTE
De acuerdo a un artículo publicado por la Escuela de Ingeniería Electrónica del Instituto
Tecnológico de Costa Rica, se realizó un proyecto similar, el cual trató sobre el desarrollo de un
sistema de control y monitorización para un sistema de enfriamiento de compresores de aire. Se
basaron en el proceso de aire comprimido que se lleva a cabo en la planta de Cooperativa de
Productores de Leche Dos Pinos R.L, la cual cuenta con una sala de compresores centrífugos.
Según el artículo mencionado, dicha planta cuenta con un sistema de enfriamiento para
mantener el proceso de compresión funcionando, pero no se tiene un verdadero control y
monitorización sobre él. Con esta idea en mente, diseñaron un sistema de control y
monitorización que permitió el proceso de enfriamiento de manera remota. Para tal efecto,
hicieron uso de la red de control de la compañía y un sistema de control distribuido sobre el
protocolo Ethernet/IP.
Conclusión: La monitorización del proceso adiciona interacción con el usuario y permite
al personal a cargo conocer las condiciones actuales del proceso de enfriamiento de agua para
los compresores de aire.
De acuerdo a un artículo publicado por el programa de Ingeniería Mecatrónica de la
Universidad Autónoma de Occidente en Santiago de Cali, desarrollaron un sistema de control
para el compresor CAMPBELL HAUSFELD de 40 HP del Sena. Según el artículo, la tarjeta de
control se encontraba dañada y no se podía conseguir en el país, por tal motivo se requería el
desarrollo de un nuevo sistema de control con el fin de lograr la puesta en marcha del
compresor. El sistema de control y la implementación para la puesta en marcha del compresor
las realizaron a partir de unas etapas para poder determinar el desarrollo óptimo del sistema.
Utilizaron microcontroladores con los que lograron el correcto funcionamiento del compresor.
Los microcontroladores estudiados fueron: PLC, Arduino, Raspberry y Pic. A partir de una
matriz de selección (QFD) definieron la métrica de mayor peso para el proyecto y con la matriz
para evaluar conceptos optaron por el Arduino en conjunto con la raspberry, siendo el Arduino
28
el ‘maestro’, el cual obtuvo los datos de las variables sensadas (presión y temperatura), además
de controlar las salidas y entradas del compresor. La raspberry en este caso fue el ‘esclavo’, y
tomó los datos de las variables por medio de una interfaz la cual brinda una visualización de los
datos en tiempo real, además de avisar cuando se encuentre una falla en el compresor.
Conclusiones: Se logra mediante el nuevo sistema de supervisión mejorar la interacción
hombre-máquina del compresor, ya que la interfaz realizada permite una mayor compresión de
los datos, identificando cualquier emergencia que presente la máquina.
Actualmente, las empresas fabricantes de máquinas generadoras de aire comprimido, aso
como la industria 4.0 junto con el Internet de las cosas (IoT) han permitido optimizar los
procesos industriales, ya que mediante este tipo de conectividad se pueden recoger datos en
tiempo real, o planificar la producción y el mantenimiento necesario de las máquinas,
garantizando en todo momento la eficiencia de las mismas.
VII. DISEÑO METODOLOGICO
Según la Guía del PMI (Project Management Institute), Guía de los Fundamentos para la
Dirección de Proyectos (Guía del PMBOK), y método en el que constantemente se aplica en el
área de ‘Infraestructura y Proyectos’, área a la cual pertenecí, de la empresa Holcim, la dirección
de proyectos es la aplicación de conocimientos, habilidades, herramientas y técnicas a las
actividades del proyecto para cumplir con los requisitos del mismo.
Generalmente los pasos para seguir este proceso son los siguientes, como se observa en la Fig.6.
29
Fig. 6. Procesos de Seguimiento y Control.
Fuente: Autor.
Recopilación de la información
Se recopila información necesaria de las 6 máquinas generadoras de aire comprimido,
teniendo en cuenta características como la referencia del equipo, la ubicación del equipo en la
planta, la potencia del equipo, el caudal de aire, la presión de carga del compresor, la presión de
descarga del compresor y las características de los paneles HMI de las empresas fabricantes.
Además de reunir toda la información que conforma el marco teórico y el estado del arte.
Generación de diagrama P&D y Programación en PLC
Esta es la etapa central del proyecto, ya que se realiza la elaboración de la propuesta de
un sistema SCADA, para la centralización de las 6 máquinas generadoras de aire comprimido.
En primer lugar, se realiza un diagrama P&D el cual explica el procedimiento general de la
integración y monitorización de las 6 máquinas desde sala de control.
Posteriormente se realiza la comunicación PROFIBUS DP entre el PLC S7300 y el HMI.
Finalmente se desarrolla la programación en PLC, mediante lenguaje Ladder y SCL, aplicando a
su vez WinCC para la generación del SCADA.
Generación Sistema SCADA
La programación se constituye de las siguientes partes: La primera sección está
representada por el control de arranque y paro de las máquinas. Posteriormente, se visualiza un
contador en segundos, minutos y horas, haciendo referencia al conteo de las horas marcha.
Finalmente se desarrolla el SCADA el cual será visualizado mediante WinCC, representando de
manera gráfica el funcionamiento básico del aire comprimido en cada uno de los cuartos que se
encuentran en cada zona específica de la planta.
Elaboración Libro Proyecto de Grado y Articulo IEEE
30
Una vez finalizada la etapa final del proceso de programación del proyecto, se realizará
la elaboración del libro, generando resultados y conclusiones acerca del proyecto.
Posteriormente se realizará un artículo en formato IEEE.
VIII. ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS
A continuación, se mencionarán las actividades adicionales desarrolladas durante el
tiempo en el que se llevó a cabo la pasantía empresarial en la planta de Cemento Holcim. Estas
se dividen en los siguientes grupos:
Creación de solped de materiales y servicios en la plataforma SAP Logon 750.
SAP es una plataforma de gestión de procesos empresariales, la cual desarrolla
soluciones que fomentan el procesamiento efectivo de datos y a su vez el flujo de
información en una organización. A continuación, se observa en la Fig.7 la
descripción mencionada anteriormente.
Fig. 7. Gestión de materiales y servicios en SAP Logon 750.
Fuente: Autor.
Gestionar la generación de pedidos de los grupos de compras requeridos (T46,
T11, K07). Para ello, se debía identificar en primer lugar las características del
31
pedido, si se trataba del costo de un material o de un servicio, y, en segundo
lugar, si el monto de la cotización superaba las escalas predeterminadas por el
grupo de ABS de Holcim. Ya que, cada grupo de compras gestiona cierto monto
especifico de dinero, para liberar los pedidos.
Realizar entradas de servicios en la plataforma SAP y gestionar las entradas de
materiales con el área de suministros. En la Fig.8 se muestran algunos de los
materiales que debía llevar un seguimiento constante en el almacén del área de
suministros.
Fig. 8. Seguimiento de materiales y servicios en SAP Logon 750.
Fuente: Autor.
32
La Fig.9. muestra la realiza de una hoja de entrada para el pago de un servicio
de un contratista.
Fig. 9. Creación de hojas de entrada en SAP Logon 750.
Fuente: Autor.
Llevar un seguimiento de los pedidos que no se encuentran completamente
liberados. En este caso, luego de gestionar la primera liberación con el grupo de
compras, se debe gestionar un seguimiento con el siguiente grupo de personas
encargadas de finalizar este proceso, ya que, si no se cuenta con una liberación
de pedido completa, el servicio a ejecutarse en la planta no puede ser iniciado,
ni el personal contratista puede ingresar a la planta.
Realizar el ingreso de esas actividades en la plataforma sisobox, y coordinar con
el área de compras para que la actividad sea liberada y el contratista inicie a
subir la documentación respectiva para el proceso de avales. Para ello, se debe
tener una comunicación constante con el contratista, verificar que toda su
respectiva documentación esté al día, y sea acorde a todos los requerimientos
que exigen en la empresa, especialmente todo lo que tiene que ver con las
medidas de protección y seguridad que se deben llevar dentro de la planta.
Realizar solicitudes de programación de reuniones pre inicio según las
33
actividades que están por ejecutarse en la planta.
Dichas solicitudes se llevan a cabo cuando la orden de compra del servicio se
encuentre completamente liberada. El área de compras realiza la respectiva
verificación del proceso y aprueban que se haga la respectiva reunión. Dicha
reunión debe ser realizada con anterioridad al servicio que está por ejecutar. Los
contratistas deben tener listas una serie de evaluaciones referentes a toda la
seguridad que deben llevar dentro de la planta, y el área al que se dirigen.
Gestionar con el contratista todo el proceso de avales, para su respectivo ingreso
a la planta.
Realizar el ingreso de vehículos solicitados por el contratista en el documento
específico para ello. Los contratistas deben enviar la solicitud 24 horas antes
para autorizar el ingreso.
Realizar el ‘Permiso de ingreso a zonas con riesgo de material caliente’
ingresando al personal requerido, en el documento específico para ello. De igual
manera, los contratistas que llegan a realizar el servicio, deben avisar con
anterioridad para cuando se solicite la autorización en sala de control, aprueben
la entrada con más tiempo.
Elaborar documento llamado ‘Response Configuration’, transcribiendo los
alcances de los proyectos en el formato requerido. Dicho documento se realiza
cuando se preparan grandes trabajos de mejoramiento en la planta, y se puedan
iniciar a cotizar con las empresas contratistas el servicio a realizar, y puedan a su
vez llegar a la planta y realizar las respectivas visitas de campo.
Diligenciar documentos llamados ‘Términos de referencia’ a partir de los
informes de los proyectos que están por ejecutar en la planta.
Organizar archivos existentes en la red del área de proyectos, de los años 2019,
34
2020, 2021 en una serie de carpetas específicas.
Realizar modificación de informes de avance de obra en el nuevo formato
asignado en el área de proyectos. Los informes son muy importantes ya que los
tienen en cuenta, cuando se realizan las auditorías a cada una de las áreas de la
empresa.
Actualizar los datos de consumo de agua potable (Consumo agua Industrial –
Consumo agua residencial). Dicho trabajo se realiza en conjunto con los
ingenieros ambientales.
Actualizar de manera constante la tabla de seguimiento de costos y proyectos
ubicada en la red de la empresa. Se hace con el fin de llevar un orden y control
de presupuestos asignados al área.
Solicitar ampliaciones de actividades en casos de urgencia. Se deben solicitar
con la jefe del área de compras, ya que en ocasiones cuando se registra la
actividad en la plataforma sisobox, por motivos de fuerza mayor, el servicio se
extiende, y las fechas que estaban inicialmente planteadas de inicio y fin de obra
caducan. Al ocurrir dicha situación, el contratista no tiene acceso nuevamente de
ingresar a la planta, su entrada se bloquea de manera automática. Por ese motivo
se solicita a ella dichas solicitud de ampliación, se le dan las razones por las
cuales el trabajo se atrasó y ella decide si aprueba o no dicha ampliación de
fecha de la actividad.
Realizar salidas a campo diarias en el área de empaque y el área ‘Pfister de
Carbón’, llevando una supervisión a los contratistas de los proyectos que estaban
ejecutándose en ese momento.
Cotizar materiales y servicios con varios contratistas, según la necesidad
requerida en la planta.
35
IX. RESULTADOS
En esta sección se presentarán los resultados obtenidos referentes al desarrollo del
proyecto.
Elaboración diagrama P&D
La elaboración del diagrama consta de las siguientes partes:
Se encuentran 6 cuartos interconectados entre sí, en forma de “anillo” mediante fibra óptica. Los
cuales representan los cuartos del funcionamiento básico de aire comprimido en la planta
Holcim-Nobsa. Cada cuarto está conformado por los siguientes componentes:
Inicialmente se realiza una toma de aire ambiente, la cual se dirige hacia el primer
filtrado de aire.
Posteriormente el aire pasa a la máquina compresora, la cual toma el aire
ambiente e incrementa y regula la cantidad de presión según su necesidad o
destino.
Se propone añadir a la salida del compresor un sensor de presión IFM PI1696, con
el fin de obtener un valor más preciso de la presión a la que va el aire. Más
adelante se menciona detalladamente el sensor elegido para dicho proceso.
El aire ingresa a un “tanque pulmón” o reservorio, siendo un sistema de
almacenamiento, el cual mejora el comportamiento y eficiencia del sistema.
Nuevamente pasa por una serie de filtro ya sea de aire o de aceite. Y el aire
continúa ingresando a un “secador de aire”, ya que al existir contenido húmedo
como el PR o “punto de rocío”, este se condensa permitiendo el aire seco.
Finalmente, el aire pasa por otra serie de filtrado y por medio de una serie de
36
tuberías es distribuido a su respectivo destino final, o área de la planta donde se
requiere demanda de operación.
Se propone la comunicación PROFIBUS DP entre el PLC, los compresores y los
sensores de presión. A continuación, se muestra en la FIg.10. el diagrama elaborado:
Fig. 10. Creación diagrama P&D del funcionamiento básico de aire comprimido.
Fuente: Autor.
37
Se observa adicionalmente en la Fig.10. la integración del panel HMI ‘SAM’ de la
empresa fabricante KAESER, ya que cuenta con las siguientes características:
Todos los componentes de la estación de aire comprimido pueden integrarse sin
problema en la HMI SAM.
Una actualización del software permite ampliar la estación de aire comprimido en
el futuro, sin necesidad de cambiar el hardware del “maestro”.
Propuesta sensor de presión
Según lo mencionado anteriormente, se propone añadir a la salida de cada compresor un
sensor de presión, para lo cual se encontró el siguiente:
SENSOR IFM PI1696
Fig. 11. Sensor de presión IFM PI1696.
La siguiente tabla muestra la ficha técnica del componente:
38
Tabla 3. Ficha técnica sensor IFM PI1696.
Según los datos recopilados en la ficha técnica se tienen las siguientes características para
tener en cuenta a la hora de implementar el sensor y realizar la adquisición de datos a futuro.
RANGO: 0,124 bares a 2,5 bares.
CONEXIÓN: 2 pines.
SALIDA SEÑAL: 4 a 20 mA.
39
Se tiene que calibrar o configurar el sensor para la medida de una presión mínima de 200
mB (4 mA) y una presión máxima de 2000 mB (20 mA).
La Fig.12. muestra un pequeño diagrama de conexión del sensor IFM PI1696:
Fig. 12. Diagrama de conexión del sensor de presión IFM PI1696.
Programación en PLC
La programación del PLC se divide en varias secciones, las cuales conforma cada una de
las ventanas que componen el sistema SCADA. La primera parte se desarrolló para realizar el
paro y arranque de las 6 máquinas compresoras de aire. La Fig.13. muestra la parte inicial de la
programación en Ladder, esta sección se encarga de verificar si hay algún motor (compresor)
que está arrancando, las variables son representadas mediante marcas de memoria.
40
Fig. 13. Primera parte ‘Algún motor (compresor) está arrancando.’
Fuente: Autor.
Posteriormente se inicia con el primer compresor, para ello tienen que estar incluidas las
siguientes variables: la secuencia de arranque debe estar habilitada; la alarma de térmico no se
debe encontrar disparada; el motor 1 debe estar habilitado para funcionar y no debe haber ningún
motor arrancando; eso hará que se active el estado “arrancando”. A su vez se activa el
temporizador de 5 segundos que da permiso para que entre en marcha el siguiente motor, luego
aparece el estado de marcha; Finalmente se tiene como salida el motor 1. Y así sucesivamente se
realizan los demás bloques para los otros 5 compresores, con la diferencia que por cada bloque
se va incluyendo las variables anteriores, con el fin de realizar la misma secuencia para todos. A
continuación, se muestra el proceso para el compresor 1 en la Fig.14.
41
Fig. 14. Arranque del compresor 1.
Fuente: Autor.
Por motivos de privacidad con la empresa Holcim, no se puede evidenciar de forma
completa todos los bloques de la programación.
Para el caso del estado de paro del compresor se realizó la siguiente secuencia: el motor
no debe estar habilitado, ni la alarma de térmico, de esta manera el motor se encuentra en estado
de paro. En caso contrario, que la alarma de térmico se dispare, el compresor entrará en estado
de fallo. Y así sucesivamente sucede con los otros 5 compresores.
Fig. 15. Estado de paro y fallo del compresor 1.
Fuente: Autor.
42
Se realizó un contador en segundos, minutos y horas, ya que, según las cotizaciones
realizadas en el tiempo de pasantía, los fabricantes de los compresores realizan el servicio de
mantenimiento a las máquinas cada 4000 horas. En la Fig. 16. se observa el contador añadido al
Ladder, ya que para la realización de este conteo se realizó una pequeña programación adicional
en SCL, para así poder incluir los bloques adicionales que se observan en la figura.
Fig. 16. Contador de los compresores.
Fuente: Autor.
Finalmente se realizó la última sección referente al funcionamiento básico del sistema de
aire comprimido, el cual aparece representado en el sistema SCADA, para ellos se realizó de
igual manera una serie de bloques con el fin de que se fuera cumpliendo la secuencia en cada
variable. La Fig.17. muestra de manera general la realización de esta parte del programa.
Fig. 17. Funcionamiento básico del sistema de aire comprimido.
Fuente: Autor.
43
Elaboración Sistema SCADA en HMI
El sistema SCADA se compone de varias ventanas, las cuales se dividen en las siguientes
secciones: ventana 1 (arranque y paro de las 6 máquinas compresoras de aire), ventana 2
(contador en segundos, minutos y horas e ingreso a los 6 cuartos de aire comprimido).
La primera ventana principal se observa en la Fig.18, se observan las 6 máquinas cada
una con su respectivo condigo HAC al frente de cada campo de E/S, el cual hace referencia al
estado en que se encuentra la máquina cuando se acciona el interruptor ON/OFF. Inicialmente
las máquinas se encuentran en estado de paro y el sistema lanza automáticamente un aviso que
indica que no hay motores (compresores) habilitados.
Fig. 18. Sistema SCADA, estado de paro de los compresores.
Fuente: Autor.
Con el fin de visualizar el estado específico en el que se encuentra el motor del
compresor, se creó en la programación una variable de tipo ‘byte’, y dentro de la variable se le
asignó un bit diferente a cada estado del motor, como se observa en la Fig.19. primero se
44
encuentra en paro, luego arrancando y finalmente en estado de marcha. Una vez llega al estado
de marcha automáticamente el sistema lanza un aviso indicando que la secuencia se encuentra
finalizada. De esta manera el operario puede arrancar o parar los motores de los compresores en
el orden que desee. No habrá riesgo, ya que por cada activación existe un retardo de 5 segundos,
con el fin de que no se presente algún inconveniente térmico de motores.
Fig. 19. Sistema SCADA, estado de arranque y marcha de los compresores.
Fuente: Autor.
La animación cambia de color según el bit que esté activado dentro del byte, como se
observa en la Fig.19, se indicó animación de color rojo al estado de ‘paro’, amarillo al estado de
‘arrancando’, verde al estado de ‘en marcha’ y rojo nuevamente para el estado de ‘fallo’.
45
Fig. 20. Sistema SCADA, estado de marcha de los compresores.
Fuente: Autor.
Así mismo, en caso de existir alguna falla en el sistema, el programa visualizará
automáticamente que el sistema se encuentra en estado de fallo y por consiguiente no habrá
motores de compresores habilitados.
46
Fig. 21. Sistema SCADA, estado de fallo de los compresores.
Fuente: Autor.
De la ventana referente al arranque y paro de los compresores, el operador se puede
dirigir a la siguiente sección denominada ‘DATOS’, allí encontrará el contador referente al
tiempo de horas de funcionamiento de las máquinas, la cual se activa mediante un botón que
activará o desactivará el conteo según lo requiera el operario. El tiempo se almacenará, a menos
que se active la opción de ‘RESET’, en ese caso, el conteo de horas marcha inicia nuevamente
desde cero. En la parte derecha de la ventana aparecen las 6 áreas que requieren mayor demanda
de aire comprimido y en las que se encuentran las 6 máquinas compresoras. El operario se puede
dirigir a cada sistema mediante el botón que aparece en la parte superior de la imagen de cada
máquina.
47
Fig. 22. Sistema SCADA, contador de horas marcha y áreas donde se ubican los compresores.
Fuente: Autor.
Una vez el operador se dirija a cualquiera de las zonas que desee, se encontrará con el
siguiente sistema que aparece en la Fig.23. Representa el cuarto que hay para cada zona que
requiere demanda de aire, en este caso se observa el cuarto de aire comprimido de la zona de
Clinker. Contiene un panel de mando, el cual consta de dos botones de paro y marcha. Y una vez
sea activado el sistema, iniciará a visualizar cada etapa del sistema finalizado. Adicionalmente se
observan las características que contiene cada compresor, como es la presión de descarga en PSI,
y el volumen de aire en 𝑚3
𝑚𝑖𝑛. El aire pasa por varias etapas como se observa en el SCADA,
iniciando con la toma de aire, luego el proceso de filtrado, posteriormente pasa por la máquina
compresora, luego por el tanque pulmón, nuevamente por una serie de filtrado, finalizando con
el secador de aire y finalmente se dirige a su destino final.
Así sucede con los otros 5 cuartos de aire comprimido.
48
Fig. 23. Sistema SCADA, funcionamiento sistema de aire comprimido en zona de Clinker.
Fuente: Autor.
49
X. CONCLUSIONES
En esta sección se presentarán las conclusiones obtenidas a partir de los resultados
obtenidos al desarrollar la propuesta del sistema SCADA para la centralización de
compresores de aire en la empresa Holcim, planta de cemento Nobsa:
Se logró la generación del diagrama P&ID el cual explica la propuesta de la
centralización de las 6 máquinas de aire comprimido, para ser monitoreadas desde
sala de control.
Se eligió el panel HMI más apto para incluir al sistema, en este caso se eligió el
panel HMI ‘SAM’ de la empresa fabricante Kaeser, ya que se realizó una
comparación con el ‘ES360’ de Atlas Copco, y se logró encontrar la diferencia
entre ambos paneles. El ‘SAM’ cuenta con la ventaja de que puede integrar las 6
máquinas sin importar que no pertenezcan al mismo fabricante. Mientras que el
‘ES360’ trabaja de forma independiente, es decir, cada compresor necesitaría un
panel HMI. Y eso conlleva más gastos económicos y poca eficiencia en el
sistema.
Se logró elaborar la programación en PLC, ya que, según las indicaciones
recibidas en la pasantía, se programó para el PLC S7300 de Siemens. Por ende,
TIA PORTAL fue una herramienta fundamental para realizar la respectiva
simulación del equipo. De igual manera se logró realizar y visualizar el sistema
SCADA del panel HMI, mediante WinCC.
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La propuesta fue aprobada en el área de Infraestructura y Proyectos, debido a que
no se cuenta con un sistema de monitoreo de aire comprimido, lo cual facilitará el
control y seguimiento para las personas encargadas de la supervisión del sistema.
Actualmente se encuentra en la etapa de aprobación de presupuesto por parte del
gerente de la planta. Ya que, cuando se prepara una propuesta de mejoramiento
hacia la empresa, la propuesta debe pasar por diversas etapas para ser aprobada y
finalmente ejecutada.
Las actividades complementarias brindaron un gran conocimiento y aporte al
crecimiento profesional como ingeniera electrónica; una de las grandes
ventajas fue la de aplicar conocimientos adquiridos de los cursos de la carrera.
Sin embargo, fue una experiencia enriquecedora el poder adquirir
conocimientos en cuanto a todo el tema referente a tareas administrativas,
licitaciones y contratos, y gestión de proyectos que debe realizar también un
ingeniero. Y las salidas a campo constantes fueron clave para saber
desenvolverme como ingeniera dentro del campo industrial.
51
XI. BIBLIOGRAFÍA
Pneumatic, C. (2021). Usos del aire comprimido en la industria del cemento
CP Chicago Pneumatic. Retrieved 4 August 2021, from
https://www.cp.com/es-latinamerica/compressors/aplicaciones-en-la-industria-
/industria-del-cemento
Generator, m. (2021). ¿Cómo funciona un compresor de tornillo? - Aire
Comprimido KAESER. Retrieved 4 August 2021, from
https://airecomprimidokaeser.com/index.php/2017/06/08/como-funciona-un-
compresor-de-tornillo/
Optimization of the Efficiency of Stall Control Using Air Injection for
Centrifugal Compressors--Additional Findings. (2021). Retrieved 2 May
2021, from https://search-ebscohost-com.crai-
ustadigital.usantotomas.edu.co/login.aspx?direct=true&db=asn&AN=1463462
33&lang=es&site=ehost-live
Analysis of air compression, progress of compressor and control for optimal
energy efficiency in proton exchange membrane fuel cell. (2021). Retrieved 2
May 2021, from https://search-ebscohost-com.crai-
ustadigital.usantotomas.edu.co/login.aspx?direct=true&db=asn&AN=1350502
94&lang=es&site=ehost-live
Duty Cycle Control on Compressor of Split Air Conditioners Using Internet of
Things Embedded in Fuzzy-PID. (2021). Retrieved 2 May 2021, from
https://search-ebscohost-com.crai-
ustadigital.usantotomas.edu.co/login.aspx?direct=true&db=asn&AN=1335495
28&lang=es&site=ehost-live
Vargas-Delgado, F. (2021). Sistema de control y monitorización para sistema
52
de enfriamiento de compresores de aire. Retrieved 4 August 2021, from
https://repositoriotec.tec.ac.cr/handle/2238/737
Copco, A. (2021). Centralización o descentralización en la instalación de
compresores atlascopco. Retrieved 4 August 2021, from
https://www.atlascopco.com/es-co/compressors/wiki/compressed-air-
articles/centralization-or-decentralization#
Aire, 2. (2021). Tipos de controles en compresores de aire - Serviaire Aire
Comprimido. Retrieved 4 August 2021, from https://www.serviaire.com/tipos-
de-controles-en-compresores-de-aire/
J. B. M. (s/f). DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL
COMPRESOR CAMPBELL HAUSFELD DE 40 HP DEL SENA- ASTIN. Edu.co.
Recuperado el 4 de agosto de 2021, de
https://red.uao.edu.co/bitstream/handle/10614/12254/T09117.pdf?sequence=5&isAll
owed=
Copco, A. (2021, 28 octubre). Principios de funcionamiento del compresor a tornillo.
Atlas Copco. https://www.atlascopco.com/es-ar/compressors/air-compressor-
blog/principios-de-funcionamiento-del-compresor-a-tornillo