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INFORME TÉCNICO PROYECTO: DISEÑO CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO PARA LA INTEGRACIÓN DE LOS MÓDULOS DE
CONTROL DE PROCESOS Y CONTROL DE CALIDAD DEL CENTRO DE MANUFACTURA AVANZADA
1. CÓDIGO Y TITULO DEL PROYECTO 111701105 Diseño, Construcción e Implementación de un Sistema Automatizado
para la integración de los módulos de Control de Procesos del Centro De Manufactura Avanzada
2. PARTICIPANTES
Depend. Código Apellidos y Nombres
Responsable FII 05657A Ing. Eduardo Raffo Lecca
M.A. FII 0A1335 Mg.Adolfo Oswaldo Acevedo Borrego
Colaborador
FII 08170149 Est. Edith Liliana Berrospi Quispe
FII 02170027 Est. Gaspar Jesús Canales Mori
FII 08170051 Est. Estela Beatríz Rojas Floreano
3. FACULTAD E INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN Facultad de Ingeniería Industrial - Instituto de Investigación.
4. RESUMEN
Sabiendo que la labor del Ingeniero es crear, mejorar y optimizar industrias,
este proyecto es una alternativa para la industria de procesos en general y
tiene por objetivo principal desarrollar integrar diversos módulos
automatizados respondiendo a la necesidad del sector empresarial, de
mejorar la calidad del producto y reducir costos de fabricación, utilizando
una tecnología moderna.
Los resultados logrados son: lograr la integración de los sistemas de control
de procesos del CEMA; realizar dispositivos funcionales de reducido
espacio de instalación, versátil en el proceso y de fácil operación mediante
software.
PALABRAS CLAVES
Microcontrolador, concentrador, interfaz
1. INTRODUCCIÓN
El objetivo principal de la automatización industrial consiste en gobernar
la actividad y la evolución de los procesos sin la intervención continua de
un operador humano.
En los últimos años, se ha estado desarrollado innumerables sistemas,
que, permiten supervisar y controlar, las distintas variables los procesos,
para lo cual se utilizan distintos periféricos, software´s de aplicación,
unidades remotas, sistemas de comunicación, etc., que permiten al
operador mediante la visualización en una pantalla de computador, tener
el completo acceso al proceso.
Existen como sabemos varios sistemas que permiten controlar y
supervisar, como lo son: PLC, DCS. SCADA, que se pueden integrar y
comunicar entre sí, mediante una red Ethernet, y así mejorar en tiempo
real, la interfaz al operador.
Sin embargo, nuestro proyecto netamente electrónico-industrial nos
permite, mediante una aplicación entre 4 a 9 veces más económica, que
las realizadas con las tecnologías mencionadas, realizar el mismo
proceso, pero con Microcontroladores PIC
2. MARCO TEÓRICO
Los PIC son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por
Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente
desarrollado por la división de microelectrónica de General Instrument.
El nombre actual no es un acrónimo. En realidad, el nombre completo es
PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface
Controller (controlador de interfaz periférico).
El PIC original se diseñó para ser usado con la nueva CPU de 16 bits
CP16000. Siendo en general una buena CPU, ésta tenía malas
prestaciones de E/S, y el PIC de 8 bits se desarrolló en 1975 para
mejorar el rendimiento del sistema quitando peso de E/S a la CPU. El
PIC utilizaba microcódigo simple almacenado en ROM para realizar
estas tareas; y aunque el término no se usaba por aquel entonces, se
trata de un diseño RISC que ejecuta una instrucción cada 4 ciclos del
oscilador.
En 1985 la división de microelectrónica de General Instrument se separa
como compañía independiente que es incorporada como filial (el 14 de
diciembre de 1987 cambia el nombre a Microchip Technology y en 1989
es adquirida por un grupo de inversores) y el nuevo propietario canceló
casi todos los desarrollos, que para esas fechas la mayoría estaban
obsoletos. El PIC, sin embargo, se mejoró con EPROM para conseguir
un controlador de canal programable. Hoy en día multitud de PICs
vienen con varios periféricos incluidos (módulos de comunicación serie,
UARTs, núcleos de control de motores, etc.) y con memoria de programa
desde 512 a 32.000 palabras (una palabra corresponde a una
instrucción en lenguaje ensamblador, y puede ser de 12, 14, 16 ó 32
bits, dependiendo de la familia específica de PICmicro).
Se puede definir la palabra supervisar como ejercer la inspección
superior en determinados casos, ver con atención o cuidado y someter
una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararla permitiendo una
acción sobre la cosa supervisada. La labor del supervisor representa
una tarea delicada y esencial desde el punto de vista normativo y
operativo; de ésta acción depende en gran medida garantizar la calidad
y eficiencia del proceso que se desarrolla. En el supervisor descansa la
responsabilidad de orientar o corregir las acciones que se desarrollan.
Por lo tanto tenemos una toma de decisiones sobre las acciones de
últimas de control por parte del supervisor, que en el caso de los
sistemas SCADA, estas recaen sobre el operario.
Un sistema SCADA es una aplicación o conjunto de aplicaciones de
software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de
control de producción, con acceso a la planta mediante la comunicación
digital con los instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica de alto nivel
con el usuario (pantallas táctiles, ratones o cursores, lápices ópticos ,
etc.) Aunque inicialmente solo era un programa que permitía la
supervisión y adquisición de datos en procesos de control, en los últimos
tiempos han ido surgiendo una serie de productos hardware y buses
especialmente diseñados o adaptados para éste tipo de sistemas. La
interconexión de los sistemas SCADA también es propia, se realiza una
interfaz del PC a la planta centralizada, cerrando el lazo sobre el
ordenador principal de supervisión.
El sistema permite comunicarse con los dispositivos de campo
(controladores autónomos, autómatas programables, sistemas de
dosificación, etc.) para controlar el proceso en forma automática desde
la pantalla del ordenador, que es configurada por el usuario y puede ser
modificada con facilidad.
Además, provee de toda la información que se genera en el proceso
productivo a diversos usuarios.
3. HIPÓTESIS
Es factible técnica y económicamente la implementación de un sistema
para integrar los módulos del CEMA y realizar procesos industriales de
mayor complejidad
4. PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Para elaborar el proyecto, se definieron los siguientes pasos, los cuales
se trabajan de manera independiente, para luego integrarlos como
solución final:
Diseño de los protocolos de comunicación
Diseño del PCB de las tarjetas de control
Elaboración de los esquemáticos
Desarrollo de la aplicación interfaz del PLC
Desarrollo del firmware para los Microcontroladores
Ensamblaje de las tarjetas de control
Testeo de los sistemas de control y los sistemas de comunicación
Instalación de las tarjetas de comunicación en los módulos
automatizados
Pruebas de comunicación entre las tarjetas de interfaz y los módulos
automatizados
Diseño del software para el control y monitoreo centralizado
Dichos módulos pueden ser llamados “plantas modelos” o “plantas piloto”
que de manera integrada constituyen una planta de control de procesos
industriales.
En el laboratorio del CEMA, decidimos integrar los siguientes módulos:
Módulo de Caudal
Módulo de Presión
Módulo de Temperatura
Módulo de control de caudal
En esta planta podemos controlar por ejemplo el flujo de agua que pasa por
una tubería, mediante una válvula proporcional.
Una bomba proporciona el caudal de agua que pasa primero por un rotámetro
que indica el flujo de agua, luego pasa al sensor de flujo, y la válvula
proporcional que regula el flujo de agua.
El controlador (controlador digital de lazo) cierra el lazo con las señales del
sensor, y da la orden a la válvula
Un ejemplo cotidiano en el que se puede apreciar el caudal es en el medidor de
combustible del auto, bajo el mismo principio existen muchas aplicaciones
Figura 1: Esquema del software SCADA para el módulo de Caudal
Módulo de control de temperatura
Podemos controlar por ejemplo la temperatura del agua. Se tienen 2 tanques
concéntricos de agua a diferentes temperaturas.
En el primer tanque se calienta el agua a través de una resistencia, hasta llegar
a la temperatura deseada.
En el segundo tanque se mezcla el agua fría con el agua caliente del primer
tanque.
La válvula proporcional regula el flujo de agua caliente de un tanque al otro
para lograr la temperatura deseada con la mezcla.
Cada tanque posee un sensor de temperatura.
Figura 2: Esquema del software SCADA para el módulo de Temperatura
Módulo de control de presión
En esta planta podemos controlar por ejemplo la presión del aire en el interior
de un tanque.
Una válvula regula la presión del aire que entra al tanque.
El aire de alimentación pasa por un rotámetro, y luego pasa por la válvula
neumática que regula la presión del aire de alimentación que ingresa al tanque.
Un sensor de presión indica la presión del aire en el interior del tanque.
Propuesta de integración
Se diseño un sistema cuyas características son los siguientes:
El sistema brinda conexión entre los sistemas de control de cada
proceso y reporta el estado del proceso a una central de monitoreo que
visualiza los parámetros mediante la aplicación SCADA.
Cada tarjeta de interfaz se encarga de colectar los diferentes parámetros
de cada proceso y los almacena para luego reportarlos al Concentrador
eSAT_USB2.0, esta transmisión es mediante el bus eSAT485.
El concentrador a su vez se encarga de administrar la comunicación con
cada tarjeta de interfaz, ordena, almacena, agrupa transmite al
ordenador central mediante comunicación USB2.0.
La transferencia de datos se da a través del software SCADA instalado
en el ordenador central.
Desde el interfaz gráfico del Software SCADA se puede monitorear cada
uno de los procesos que forman parte de la red.
Componentes principales
- (3) Tarjeta de Interfaz
- (1) Bus 485 optimizado
- (1) Concentrador
- (1) Aplicación SCADA
Adicionalmente, la instalación del sistema implica la instalación de canaletas y
demás módulos de soporte para las tarjetas y el bus eSAT485.
El esquema de la solución es el siguiente:
Actualmente se han culminado todas las etapas de diseño y simulación, y
estamos en proceso instalación e implementación, ya que las compras y
adquisiciones recién se realizaron debido a que el dinero salió en la segunda
mitad del año
5. CONCLUSIONES
a. Es posible integrar los módulos de control de procesos del Centro de
Manufactura Avanzada, mediante la creación de una interfaz de
comunicaciones basada en microcontroladores
b. Para un presupuesto reducido, los microcontroladores PIC son la
solución más económica y efectiva para comunicar distintos dispositivos.
c. El desarrollo de realizar una interfaz propia y personalizada nos permite
no depender de algún lenguaje de programación específico para hacer
interacciones software-hardware
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Control Avanzado de Procesos, José Acedo Sánchez, Ediciones Díaz de
Santos, 2003 - 579 páginas
2. Instrumentación Industrial, Antonio Creus Solé, Marcombo, 2005 - 775
páginas
3. Sistemas de Control Automático, Benjamín C. Kuo, Pearson Educación,
1996 - 897 páginas
4. http://formacion.plcmadrid.es/descargas/docs/proyecto_automatizacion.pdf
5. http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador_PIC