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DISEÑOSEÑO DEL SISTEMA AUTOMÁTICO PARA EL CONTROL Y MONITOREO DE CUARTOS FRÍOS. PESQUERA ASOPESPA JAMES LEONARDO MINA HINESTROZA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRONICA SANTIAGO DE CALI 2014
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DISEÑOSEÑO DEL SISTEMA AUTOMÁTICO PARA EL CONTROL Y MONITOREO DE CUARTOS FRÍOS.
PESQUERA ASOPESPA
JAMES LEONARDO MINA HINESTROZA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRONICA
SANTIAGO DE CALI 2014
DISEÑO DEL SISTEMA AUTOMÁTICO PARA EL CONTROL Y MONITOREO DE CUARTOS FRÍOS.
PESQUERA ASOPESPA
JAMES LEONARDO MINA HISNESTROZA
Pasantía educativa para optar al título de Ingeniero mecatrónico
Director JIMMY TOMBE ANDRADE
Ingeniero electricista
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRONICA
SANTIAGO DE CALI 2014
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Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero mecatrónico. JUAN CARLOS MENA __________________ Jurado JESUS LOPEZ ___________________ Jurado
Santiago de Cali, de 24 enero de 2014
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Doy gracias primeramente a Dios por haber puesto en mi rumbo todas la personas que influyeron en mi desarrollo intelectual y personal, a las personas que me compartieron sus conocimientos, sus consejos y me extendieron la mano durante esta etapa de mi vida pero entre todas esta persona quiero dar especial agradecimiento a la Licenciada Marleny Hinestroza de Mina, mi madre que desde siempre planeo como costear mis estudios e hizo todos los sacrificios necesarios para que yo hoy pudiera cumplir mis sueños, también quiero agradecer a mis docentes el Ingeniero Jymmi Tombe Andrade quien desde mi primer día de ingreso a la universidad se convirtió en un fuerte aliado para mi futuro académico, Juan Carlos Mena quien fue mi docente y calificador de mi proyecto de grado. Mis gracias también son para Familia Gómez y a los compañeros de estudio que me apoyaron durante este proceso. Para mi hija Tyra Yisel Mina Paz, quien es la fuerza motivadora que me impulsa a ser cada día mejor.
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AGRADECIMIETOS
A la empresa ASOPESPA.LTDA por brindarme el espacio propicio para realizar este proyecto. A Jiacobony Varela González ingeniera de alimentos, jefe de procesos de la pesquera ASOPESPA.LTDA por ser el canal de información. A Jimmy tombe Andrade, Ingeniero Electricista, profesor Universidad Autónoma de Occidente por la colaboración Y a todas y cada una de las personas que de una u otra dieron su apoyo de manera incondicional para hacer posible el cumplimiento de los objetivos de este proyecto.
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CONTENIDO
Pag GLOSARIO 20 RESUMEN 23 1. ANTECEDENTES HISTORICOS 24
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 26 3. JUSTIFICACION 27 4. OBJETIVOS 28 4.1 OBJETIVO GENERAL 28
4.2 OBJETIVO ESPECIFICO 28 5. MARCO TEORICO 29 5.1 EL COMPRESOR 30 5.2 EL CONDENSADOR 30 5.3 EL DISPOSITIVO DE EXPANSIÓN O VÁLVULA DE
EXPANSIÓN 31 5.4 EL EVAPORADOR 32 5.5 LA REFRIGERACION 33 5.6 LA REFRIGERACION INDUSTRIAL 34 5.7 EL CALOR Y EL FRIO 35 5.8 EL CUARTO FRIO 36 5.9 LA AUTOMATIZACION INDUSTRIAL 37 5.10 MODULO ESTRUTURAL DE UN SISTEMA AUTOMATISADO 37 5.10.1 Parte operativa 37
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5.10.2 Parte de control y mando 38 5.11 AUTOMATIZACION DE PROCESOS 39 5.12. INTERFAZ HOMBRE MAQUINA 39 5.13 TIPOS DE HMI 41 5.14 MONITOREO 43 5.15 CONTROLADORES 43 5.15.1 MICROCONTROLADORES 43 5.15.2 PLC 44 5.15.3 PAC 45 5.16 CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS 46 5.17 CONTROL ON-OFF 47 5.18 CONTROL DE LAZO ABIERTO 48 5.19 CONTROL DE LAZO CERRADO 49 5.20 REALIMENTACION 50 6 METODOLOGIA 52 6.1 FACE DE PLANEACION DEL PROYECTO 52 6.2 DESARROLLO COMCEPTUAL 52 6.3 FACE DE DISEÑO INDUSTRIAL 52 7 PRESUPUESTO 54 8. PROCESOS DE LA PLANEACION DEL PRODUCTO 55 8.1 DESCRIPCION DEL PRODUCTO 55 8.2 PRINCIPAL OBJETIVO DE MARKETING 55
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8.3 MERCADO PRIMARIO 56 8.4 MERCADO SECUNDARIO 56 8.5 PREMISAS Y RESTRICCIONES 56 8.6 PARTES IMPLICADAS 56 9 LISTA DE LAS NECESIDADES DEL CLIENTE 57 10 METRICAS Y SUS UNIDADES 58 11 MATRIZ QFD 59 12. ESPECIFICACIONES TECNICAS PRELIMINARES 60 13. ANALISIS DE LA MATRIZ QFD 61 13.1 NECESIDADES DE MAYOR IMPORTANCIA 63 13.2 NECESIDADES DE MENOR IMPORTANCIA 63 13.3 REQUERIMIENTOS DE MAYOR IMPORTANCIA 63 13.4 REQUERIMIENTOS DE MENOR IMPORTANCIA 63 14. DESCOMPOSICION FUNCIONAL CAJA NEGRA 66 175DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL, FUNCIONES Y
SUDFUNCIONES 66
16. SELECCIÓN DE CONCEPTOS 67 17. COMBINACION DE CONCEPTOS 71 18. SELECCIÓN DE CONCEPTOS 73 19. MATRIZ DE TAMIZAJE 74 20. MATRIZ PARA EVALUAR COMCEPTOS 76 21. ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 80
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22. PROTOTIPADO 84 22.1 PARTES DEL SISTEMA DE CONTROL ACTUAL DEL
CUARTO FRIO 84 23. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE CONTROL
ACTUAL 80 23.1 MODELO 1 80 23.2 MODELO 2 80 23.3 DESCRIPCIÓN DEL AMBIENTE 81 24. NECESIDADES DEL CLIENTE 84 24.1 COMPUTADOR DE LAS OFICINAS 84 24.1.1 Características relevantes 86 24.1.2 Comunicación con otros componentes del sistema 84 24.2 SENSORES DEL CUARTOFRIO 84 24.2.1 Características relevantes 84 24.2.2 Comunicación con otros componentes del sistema 86 24.3 EL VARIADOR DE FRECUENCIA ESTA UBICADO
EN EL TERCER PISO 84 24.3.1 Características relevantes 84 24.3.2 Comunicación con otros componentes del sistema 84 24.4 EL PLC ESTA UBICADO EN EL TERCER PISO 85 24.4.1 Características relevantes 85 24.4.2 Comunicación con otros componentes del sistema 82
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25. SELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS 87 25.1 SELECCIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA 87
25.1.1 Termo resistencia con cable o bulbo 87
25.1.2 Termopilas con cabezote tuvo en acero inoxidable pt100 88 25.1.3 Termopila tipo tornillo 88 25.2 SELECION DEL VARIADOR 89 25.2.1 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA WEG CFW-08 90
25.2.2 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA YASCAWA V1000 93 26 SELECCIÓN PLC 93
26.1 PLC SIEMENS S200 93
26.2 PLC ALLEN BRADLEY SLC 500 94 27. SELECCIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA 96 27.1 SENSOR DE TEMPERATURA SELECCIONADO 96 28. SELECCIÓN DEL ELEMENTO PARA REGULAR
VELOCIDAD 99 28.1 VARIADOR DE FRECUENCIA SELECCIONADO 100 29. SELECCIÓN DEL ELEMENTO DE CONTROL 101 29.1 PLC SELECCIONADO 102
29.1.1 Módulos de e/s de la serie 1746 103
29.1.2 Módulos analógicos 103 29.1.3 Comunicación entre el PLC y HMI pc 103
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29.1.4 Software de programación rslogix 500 103
29.1.5. Diagrama de flujo 105 30. ESPECIFICACIONES TECNICAS FINALES 106 30.1 VISUALIZADORES DE TEMPERATURA CUARTO FRIO 106 30.2 VISUALIZADORES DE PROCESO PLANTA DE
PROCESO 107 30.3 VISUALIZADOR DE PROCESOS EN LAS OFICINAS 107 31. DIAGRAMA MIMICO DEL SISTEMA DE MONITOREO
Y CONTROL LISTA DE TABLAS 108 32. ANALISIS DE AHORRO 109 32.1 AHORRO EN POTENCIA REACTIVA 109 32.2 AHORRO EN EL ARRANQUE 110 32.3 AHORRO DURANTE SU FUNCIONAMIENTO 110 32.4 COSTO DE LA IMPLEMENTACIÓN 111 33. DISEÑO DEL CONTROLADOR PID 112 33.1 RECONOCIMIENTO DE ESTADO DE LA PLANTA 112 33.2 RESPUESTA DEL CUARTO FRIO ANTE UNA
ENTRADA ESCALON 112
34. OBTENCIÓN DE LA FUNCION DE TRANSFERENCIA DE LA PLATA 113
35. CONTROL PID 114 35.1 DISEÑO DEL CONTROLADOR PID 114 35.2 EFECTOS DEL CONTROLADOR SOBRE EL SISTEMA 115 36. DISEÑO DE LA INTERFAZ GRAFICA DE USUARIO 116
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36.1 PLANTILLA PARA MENEJO DE CUARTOS FRIOS 118 36.2 PLANTILLA DE HISTOGRAMA DE LAS
TEMPERATURAS 119 36.3 RESPORTES DIARIOS GENERADOS POR
LA APLICACIÓN 120
36.4 PLANTILLA DE ANIMADA DEL CUARTO FRIO 121 37. RSLINX COMUNICATIONS SERVICE 122 38. TABLA DE ALARMAS 123 39. CONCLUCIONES 124 BIBLIOGRAFIA 125 ANEXOS 127
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LISTA DE CUADROS
Pag
Cuadro 1. Presupuesto del proyecto 54
Cuadro 2. Necesidades y requerimientos. 57 Cuadro 3. Lista de necesidad, requerimiento y métricas. 58 Cuadro 4. Métricas 60 Cuadro 5. Requerimientos del sistema 65 Cuadro 6. Necesidades del cliente 62 Cuadro 7. Subsunciones del sistema 67 Cuadro 8. Criterios para la selección de concepto 71
Cuadro 9. Principales alternativas de diseño 72 Cuadro 10. Combinaciones principales alternativas de diseño 72
Cuadro 11 Matriz de tamizaje 73 Cuadro 12. Valoración porcentual de criterios de selección 75
Cuadro 13. Descripción del primer piso 77 Cuadro 14. Descripción del segundo piso 82 Cuadro 15. Descripción del tercer piso 83 Cuadro 16. Características de selección sensor de temperatura 87 Cuadro 17. Características de selección del variador de frecuencia 87 Cuadro 18. Características de selección del sensor PLC 89
Cuadro 19. Características de selección del sensor 96 Cuadro 20. Características de selección del variador de frecuencia 99
14
Cuadro 21. Criterios de selección del variador de frecuencia 99 Cuadro 22 Características de selección del PLC 101 Cuadro 23 Selección del PLC 101 Cuadro 24 Partes seleccionadas y costos de la implementación 111 Cuadro 25 Tabla de Alarmas 123
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LISTA DE FIGURAS
Pag
Figura 1. Tablero de control actual 24 Figura 2. Tablero de control actual 25 Figura 3. Ciclo de refrigeración 29 Figura 4. El compresor 30 Figura 5. El condensador 31 Figura 6. Válvula de expansión 32 Figura 7. El evaporador 33 Figura 8. Refrigerantes según su función 34 Figura 9. El ciclo de la refrigeración 35 Figura 10. Cuartos fríos prefabricados 36 Figura 11 Cuartos fríos prefabricados 37 Figura 12 modelo estructural de un sistema automatizado 38 Figura 13. Niveles de comunicación en automatización de procesos 39 Figura 14. Interfaz hombre maquina por Software 40 Figura 15. Algunos HMI 41 Figura 16. Interfaz hombre maquina por Software 42 Figura 17. El muestreo 43 Figura 18. El microcontrolador 44 Figura 19. Diversos PLC 45 Figura 20. El PAC 46
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Figura 21. Control automático 47 Figura 22. Control on-off. 48 Figura 23. Lazo abierto 49 Figura 24. Sistemas de Lazo Cerrado 50 Figura 25. Sistemas de lazo cerrado 51 Figura 26. El sistema visto como Caja negra 64 Figura 27. Descomposición funcional. 65 Figura 28. Distribución de habitaciones de la planta 77 Figura 29. Distribución de habitaciones de la planta 80 Figura 30. Distribución del sistema de control 81 Figura 31. Diagrama mímico sistema de monitoreo y control 86 Figura 32. Termo resistencia con bulbo 87 Figura 33. Termo pila PT100 88 Figura 34. Termopila tipo tornillo 89 Figura 35. Convertidor de Frecuencia WEG CFW-08 90 Figura 36. Convertidor de Frecuencia YASCAWA V1000 91 Figura 37 PLC siemens s200 93 Figura 38. PLC allen bradley SLC 500 94 Figura 39. Termopilas PT100 96 Figura 40. Conexión del sensor PT100 97 Figura 41. Conexión del sensor PT100 98 Figura 42. Convertidor de Frecuencia YASCAWA V1000 100 Figura 43 PLC allen bradley SLC500 102
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Figura 44. Interfax grafica RSLogix 500 104 Figura 45. Diagrama de flujo 105 Figura 46. Termómetro de cuadrante 106 Figura 47. Diagrama mímico sistema de monitoreo y control 108 Figura 48. Diagrama de Variador de frecuencia con PWM 109 Figura 49. Repuesta del sistema a una entrada escalón 112 Figura 50. Pruebas con simulink 114 Figura 51. Funtion block parameters PID 115 Figura 52. Respuesta entrada escalón 116 Figura 53. Interfaz gráfica principal software de monitoreo 117 Figura 54. Interfaz gráfica para manejo de cuarto frio 118 Figura 55. Interfaz gráfica con histogramas 119 Figura 56. Archivos de excel creados por la aplicación 120 Figura 57. Interfaz gráfica animada 121 Figura 58. Interfaz gráfica RSLinx 122
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LISTA DE ANEXOS
Pag Anexo A Diagrama de comunicación sistema de monitoreo y
control 127
Anexo B Diagrama de mando Sistema de monitoreo y control 128
Anexo C Diagrama de potencia del sistema de monitoreo y control 129
Anexo D Simbología del plano 130
Anexo E Programa ladder 131
Anexo F Módulo de entradas/salidas digitales (1769-IQ6X0W4) 132
Anexo G Módulo de entradas/salidas analógicas (IF69-IFX0F2) 133
Anexo H cableado del circuito principal y de control yascawa V1000 134
Anexo I Entorno de la instalación del variador yascawa V1000. 135
Anexo J Manual de funcionamiento del programa. 136
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GLOSARIO CÁMARAS FRIGORÍFICAS: un frigorífico o cámara frigorífica es una instalación industrial estatal o privada en la cual se almacenan carnes o vegetales para su posterior comercialización. CAVA: se conoce como cava o bodega a la habitación empleada para el almacenamiento de vino en botellas o barriles, también puede ser (aunque en forma menos común), el empleo de damajuanas, ánforas o contenedores plásticos, o cualquier otro almacenamiento de salazones o aceites. circuito integrado: un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso. CONDICIONES INICIALES: se le llama así al estado de la variable antes de que el sistema reciba alguna entrada o por turbación. CONGELACIÓN: la congelación de alimentos es una forma de conservación que se basa en la solidificación del agua contenida en éstos. Por ello uno de los factores a tener en cuenta en el proceso de congelación es el contenido de agua del producto. En función de la cantidad de agua se tiene el calor latente de congelación. El calor latente del agua es la cantidad de calor necesario para transformar 1 kg de líquido en hielo, sin cambio de temperatura, en este caso es de 80 kcal/kg. Otros factores son la temperatura inicial y final del producto pues son determinantes en la cantidad de calor que se debe extraer del producto. ETHERNET: es un estándar de redes de área local para computadores con acceso al medio por contienda (CSMA/CD). Su nombre viene del concepto físico de ether. Ethernet define las características de cableado y señalización de nivel físico y los formatos de tramas de datos del nivel de enlace de datos del modelo OSI. GABINETES: el gabinete (también llamado carcasa, caja, torre o chasis), armazón que contiene los componentes de la computadora.
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HMI: Interfaz de usuario por sus siglas en idioma inglés, (Human Machine Interface) que se usa para referirse a la interacción entre humanos y máquinas; Aplicable a sistemas de Automatización de procesos. LADDER: también denominado lenguaje de contactos o en escalera, es un lenguaje de programación gráfico muy popular dentro de los autómatas programables debido a que está basado en los esquemas eléctricos de control clásicos. De este modo, con los conocimientos que todo técnico eléctrico posee, es muy fácil adaptarse a la programación en este tipo de lenguaje.
REFRIGERATE: un refrigerante es un producto químico líquido o gaseoso, fácilmente licuable, que es utilizado como medio transmisor de calor entre otros dos en una máquina térmica. Los principales usos son los refrigeradores y los acondicionadores de aire. RELEC: el relec o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. RS 232: (Recommended Standard 232, también conocido como EIA/TIA RS-232C) es una interfaz que designa una norma para el intercambio de una serie de datos binarios entre un DTE (Equipo terminal de datos) y un DCE (Data Communication Equipment, Equipo de Comunicación de datos), aunque existen otras en las que también se utiliza la interfaz RS-232. Una definición equivalente publicada por la ITU se denomina V.24. SERPENTIN: se denomina serpentín o serpentina a un tubo de forma frecuentemente espiral, utilizado comúnmente para enfriar vapores provenientes de la destilación en un calderín y así condensarlos en forma líquida. Suele ser de vidrio, cobre u otro material que conduzca el calor fácilmente. Este aparato se utiliza de diversas formas pero más comúnmente en el laboratorio de química.
SET POINT: el valor objetivo en un sistema de control automático, por ejemplo controlador PID, tendrá como objetivo alcanzar el valor x. SIMULINK: simulink es un entorno de programación visual, que funciona sobre el entorno de programación Matlab.
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Es un entorno de programación de más alto nivel de abstracción que el lenguaje interpretado Matlab (archivos con extensión .m). Simulink genera archivos con extensión .mdl (de "model").
PERTURBACIÓN: alteración de la tranquilidad, de la paz, del orden o del desarrollo normal de algo.
PC: las siglas pc computadora personal (u ordenador personal), del inglés personal computer. PLC: (programmable logic controller), es una computadora utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial, para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas. PROTOTIPOS: los prototipos son una representación limitada de un producto, permite a las partes probarlo en situaciones reales o explorar su uso, creando así un proceso de diseño de iteración que genera calidad.
PROTOTIPADO: el prototipado modela el producto final y permite efectuar un test sobre determinados atributos del mismo sin necesidad de que está disponible. Se trata, simplemente, de testear haciendo uso del modelo. TCP/IP. el modelo TCP/IP es un modelo de descripción de protocolos de red desarrollado en los años 70 por Vinton Cerf y Robert E. Kahn. Fue implantado en la red ARPANET, la primera red de área amplia, desarrollada por encargo de DARPA, una agencia del Departamento de Defensa de los Estados Unidos, y predecesora de la actual red Internet. EL modelo TCP/IP se denomina a veces como Internet Model, Modelo DoD o Modelo DARPA.
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RESUMEN
En el desarrollo de este trabajo se aplica en método de ingeniería concurrente en para el diseño de un sistema de monitoreo y control de cuarto fríos para la pesquera ASOPESPA, primeramente se realiza un estudio de cada una de los elementos del sistema y las funciones que cada elemento realiza, el estudio realizado permite plantear soluciones a los diferentes problemas y diseñar la estrategia de control adecuada al sistema, dándole al personal de planta información de las temperatura del sistema y permitiendo manipularla des de un HMI en una computadora, manuales de funcionamiento y operación.
Palabras Claves: Control. Ingeniería concurrente. Monitoreo. Sistema.
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INTRODUCCION
En la industria contemporánea el uso de sistemas automáticos se ha convertido en la forma para optimizar los procesos productivos aporta entre otros un control de calidad más riguroso, acorta los tiempos de proceso y favorece las condiciones laborales. En consecuencia reduce los costos de producción, generando aumento en las ganancias. Los procesos de automatización se pueden llevar a cabo con sistemas mecánicos, sistemas eléctricos, sistemas electrónicos o combinaciones entre ellos. Otros sistemas son los mecatrónicos, estos logran integraciones sinérgicas de los sistemas mencionados inicialmente. La empresa ASOPESPA, está ubicada en la ciudad de Buenaventura, dedicada a la actividad comercial de distribuir y transformar productos del mar, tiene como política de principal entregar a sus clientes productos frescos y con altos estándares de calidad. Para cumplir con sus compromisos se hace necesario el uso de cuartos fríos, que favorecen a la conservación y adaptación de la materia prima. Los cuartos fríos son controlados y monitoreados de forma manual, lo que ocasiona entre otros un incremento de costos de producción por uso de energía eléctrica, reduce la calidad de la materia prima debido al crecimiento de cristales de hielo en su interior y requiera un mayor esfuerzo del personal de planta al tener que recorrer distancias entre pisos para realizar el monitoreo y control. ASOPESPA, pretende con este proyecto, diseñar un sistema de control; para optimizar el proceso de los cuartos fríos; disminuyendo el consumo de energía eléctrica, elevando la calidad de producto y que requiera menor esfuerzo del personal de planta.
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1. ANTECEDENTES HISTORICOS
Estudios realizados en el tema de control automático de cuartos fríos por el ingeniero Hugo Castellanos de la universidad de san Carlos Guatemala, han concluido que: Se logra una mejoría considerable en el funcionamiento del cuarto frío. Primero se ahorra en energía un 20% lo cual disminuye enormemente los costos de operación y por último el sistema automatizado es más estable. Desde su fundación la empresa ASOPESPA ha contado con el cuarto frio en el cual se está desarrollando este trabajo. El cuarto frio incluye un sistema de mando el cual consta de un arreglo eléctrico que posee un timer para sincronizar el comportamiento de los diferentes componentes que intervienen funcionamiento del cuarto frio. Las ventajas de los sistemas automáticos de control para los cuartos fríos son conocidos por el personal de ASOPESPA y de allí el interés de participar en este proyecto de diseño. Figura 1. Tablero de control actual.
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Figura 2. Tablero de control actual.
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2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.1 ENUNCIADO El control del sistema de refrigeración en ASOPESPA es realizado de forma manual, esto trae algunas desventajas como lo son: Altos costos de producción por uso de energía eléctrica. Los tiempos de encendido de los evaporadores son más prolongados de lo conveniente, para evitar que las temperaturas de los cuartos fríos desciendan de -15 °C, que es el límite permitido para la conservación de productos frescos del mar.
Desmejora las condiciones laborales. La empresa ASOPESPA, funciona en un edificio de tres pisos, en el primer piso está ubicado los cuartos fríos, en el segundo piso tiene la planta de procesos y en el tercer piso se encuentra la maquinaria del sistema de refrigeración. La dispersión de los componentes del sistema impone condiciones laborales adversas para el personal de planta.
2.2 FORMULACION DEL PROBLEMA El problema a enfrentar será el de convertir el sistema de control y monitoreo manual que se tiene en la actualidad por un sistema automático en procura de resolver los inconvenientes que se presentan actualmente.
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3 JUSTIFICACION ASOPESPA, con este proyecto pretende desarrollar un sistema automático de monitoreo y control para cuartos fríos, con el cual se consigue: Disminuir los costos de producción por uso de energía eléctrica. Mejorar la calidad del producto. Mejores condiciones laborales del personal de planta.
Los controles automáticos de temperatura ya existen en el mercado, son importados y distribuidos por diferentes empresas comercializadoras. Entre las características más comunes de estos sistemas son: control PID, entradas de acople para sensores y visualización por display, para la comunicación con los computadores de planta es necesario módulos de adquisición de datos. Estos sistemas tienen unos costos elevados y requieren de personal especializado para la instalación y mantenimiento. En Buenaventura no existen empresas dedicadas a la comercialización de estos sistemas, tampoco especialistas en sistemas de control industrial por lo cual, instalar dichos sistemas comerciales dificulta las reparaciones y el cambio de componentes, existe entonces la necesidad de diseñar un sistema de control que se pueda mantener en óptimas condiciones con recurso humano de la región. Durante el proceso de desarrollo del sistema, pone en práctica los conocimientos y habilidades adquiridas durante la formación en Ingeniería Mecatrónica, ampliando el saber para dar respuesta a las necesidades del sector industrial, como también realizando prácticas en desarrollo y diseño de productos. Este tema resulta de especial interés para el pasante debido al nicho del mercado que se puede abrir en la región.
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4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema automático de monitoreo y control para cuartos fríos de la pesquera ASOPESPA.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Analizar las funciones de cada componente del sistema de refrigeración de
ASOPESPA e Identificar: componentes, subsistemas y variables que intervienen en el sistema de control a diseñar.
Determinar las tecnologías necesarias para el sistema de control. Hacer prueba de sensores y aplicar las técnicas de instrumentación necesarias
para acondicionar la señal que entrega el sensor. Diseñar el sistema de control. Diseñar una interfaz hombre maquina (HMI). Elaborar manuales de funcionamiento. Elaborar un artículo.
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5 MARCO TEORICO
Los sistemas de refrigeración corresponden a arreglos mecánicos que utilizan propiedades termodinámicas de la materia para trasladar energía térmica en forma de calor entre dos o más focos, conforme se requiera. Están diseñados primordialmente para disminuir la temperatura del producto almacenado en cámaras frigoríficas o cámaras de refrigeración las cuales pueden contener una variedad de alimentos o compuestos químicos, conforme especificaciones1. Figura 3. Ciclo de refrigeración Fuente: fundamentos de la refrigeración [en línea]; Blogquimobasicos.s.a., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet:.http://blogquimobasicos.com /2012/07/17/fundamentos-de-refrigeración/ 1 Wikimedia. Refrigeración, [en línea]; Wikimedia Foundation. Inc., [Consultado 01 septiembre de 2012]. Disponible en internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n
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5.1 EL COMPRESOR Elemento es generalmente impulsado por un motor eléctrico. Es el componente más costoso y el que consume más del 80% de la energía eléctrica del equipo; se encarga de presurizar el gas en el sistema y actúa como una bomba que aspira y empuja el refrigerante dentro de las tuberías2. Figura 4. El compresor Fuente: fundamentos de la refrigeración [en línea]; Blogquimobasicos.s.a., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet:.http://blogquimobasicos.com /2012/07/17/fundamentos-de-refrigeración 5.2 EL CONDENSADOR Por lo general consiste en un serpentín con aletas metálicas y uno o más Ventiladores que impulsan aire ambiente para enfriar el vapor refrigerante caliente y condensarlo a su estado líquido, a una temperatura igual o Ligeramente mayor que la ambiental. Bajo estas condiciones, al refrigerante se le llama líquido subenfriado.
2 Historia-y-aplicación-de-la-refrigeración, op. Cit., disponible en internet:
http://es.scribd.com/doc/65569139/3/HISTORIA-Y-APLICACION-DE-LA-REFRIGERACION
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El consumo eléctrico del motor del ventilador del condensador no es muy grande, Pero cuando éste se obstruye con polvo o suciedad, absorbe menos calor del Refrigerante y la presión de trabajo del compresor será mayor y demandará más Potencia y energía3. Figura 5. El condensador
Fuente: fundamentos de la refrigeración [en línea]; Blogquimobasicos.s.a., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet:.http://blogquimobasicos.com /2012/07/17/fundamentos-de-refrigeración/ 5.3 EL DISPOSITIVO DE EXPANSIÓN O VÁLVULA DE EXPANSIÓN Este dispositivo se encarga de restringir el paso del refrigerante lo suficiente como para que ocurra una gran caída de presión. Cuando esto sucede, el líquido se expande y una parte se evapora, bajando su temperatura. Cuanto más “subenfriado” llegue el líquido refrigerante a la válvula, menos cantidad tendrá4.
3 Historia-y-aplicación-de-la-refrigeración, op. Cit., disponible en internet:
http://es.scribd.com/doc/65569139/3/HISTORIA-Y-APLICACION-DE-LA-REFRIGERACION 4 Historia-y-aplicación-de-la-refrigeración, op. Cit., disponible en internet: http://es.scribd.com/doc/65569139/3/HISTORIA-Y-APLICACION-DE-LA-REFRIGERACION
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Figura 6. Válvula de expansión
Fuente: fundamentos de la refrigeración [en línea]; Blogquimobasicos.s.a., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet:.http://blogquimobasicos.com /2012/07/17/fundamentos-de-refrigeración/ 5.4 EL EVAPORADOR Usualmente, éste es un serpentín con aletas similar al condensador, pero de menor tamaño. La mezcla vapor+líquido que sale del dispositivo de Expansión recorre todo el serpentín y absorbe el calor de los alrededores, Enfriando cualquier fluido que pase sobre él (agua o aire). La eficiencia del evaporador radica en lo bien que el calor se intercambia entre el Aire o agua con el refrigerante, lo cual evapora el líquido que no lo hizo durante la Expansión y qué tanto se sobrecalentó al salir del evaporador5.
5 Historia-y-aplicación-de-la-refrigeración, op. Cit., disponible en internet: http://es.scribd.com/doc/65569139/3/HISTORIA-Y-APLICACION-DE-LA-REFRIGERACION
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Figura 7. El evaporador Fuente: fundamentos de la refrigeración [en línea]; Blogquimobasicos.s.a., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet:.http://blogquimobasicos.com /2012/07/17/fundamentos-de-refrigeración/ 5.5 LA REFRIGERACION La refrigeración es un proceso termodinámico con el que se logra mantener un cuerpo a una temperatura menor que la de sus alrededores, para mantener o producir esta baja temperatura, es necesario transferir calor desde el cuerpo o espacio por enfriar. Un refrigerador es un dispositivo que se emplea para lograr este efecto en base a gastar energía del exterior en forma de trabajo o de calor, o de ambos. Para que el refrigerador opere continuamente, es necesario, además que seda calor, por lo general, a la atmósfera. De esta manera se puede considerar a los refrigeradores como máquinas de calor que trabajan en sentido inverso. La firma del Acuerdo de Kyoto hace que aumente la necesidad de las prácticas ya que muchos de los sistemas de refrigeración y de aire acondicionado usan una considerable cantidad de energía y por lo tanto contribuyen ya sea directa o indirectamente al calentamiento global6. 6 Wikipedia, Refrigeración, [en linea]; Wikipedia Fundación. Inc., [Consultado 01 septiembre de 2012]. Disponible en internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n
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Figura 8. Refrigerantes según su función
Fuente: fundamentos de la refrigeración [en línea]; Blogquimobasicos.s.a., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet:.http://blogquimobasicos.com /2012/07/17/fundamentos-de-refrigeración/ 5.6 LA REFRIGERACION EN LA INDUSTRIAL Típicamente las temperaturas de refrigeración están comprendidas entre el punto de congelación del alimento (-1ºC) y unos 10ºC. Mediante el descenso de la temperatura se aumenta la vida útil del producto fresco o procesado por la disminución en la proliferación de microrganismos, las actividades metabólicas de tejidos animales y vegetales, y reacciones químicas o bioquímicas deteriorantes. La mayor parte de los alimentos que deben refrigerase para su proceso de distribución y venta son las carnes, los lácteos y carnes frías7. En la industria de alimentos uno de los sistemas de mayor consumo de energía es el sistema frigorífico, siendo este un factor principal que incide en los costos de producción, para el caso de la pesquera ASOPESPA se convierte en el proceso a
7 Universidad nacional. Refrigeración; [en línea]. Universidad nacional, [Consultado 02 septiembre de
2012]. disponible en internet: ttp://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4070035/lecciones/cap8
/cap8.htm
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ser estudiado, se analizara el sistema actual y las posibilidades de un nuevo sistema que presente las mismas prestaciones y que tenga mayor eficiencia. Figura 9. El ciclo de la refrigeración. Fuente: fundamentos de la refrigeración [en línea]; Blogquimobasicos.s.a., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet:.http://blogquimobasicos.com /2012/07/17/fundamentos-de-refrigeración/ 5.7 EL CALOR Y EL FRIO El calor es una forma de anergia que se radia de un cuerpo a otro. La principal fuente de calor es el sol, produciéndose también por otros medios: combustión, refracción, electricidad, reacciones químicas y por compresión de aire o vapor. La teoría del calor se define por movimiento molecular. Cuanto mas enérgico resulta el movimiento, mayor es el calor que proporciona al cuerpo. Al desprendiese este calor disminuye el movimiento de las moléculas, que no desaparece hasta llegar al cero absoluto8. 8 ALARCON CREUS,jose. Tratado pratico de refrigeración automática,Mexico D.F.:Alfa Omega. p.1
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Figura 10. Calor y frio Fuente: FRIO Y CALOR [en línea]; Nergiza.com, [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet:. http://nergiza.com/aire-acondicionado-de-carrefour-que-tengo-que-tener-en-cuenta-al-comprar-un-ac-en-una-gran-superficie/ En cuanto al frio, no existe teóricamente como termino positivo, sino que representa simplemente la ausencia de calor9. 5.8 EL CUARTO FRÍO Los cuartos fríos son cajas aisladas con una puerta y espacio suficiente para almacenar el producto y que personal entre a acomodarlo en estantes o cajas. Pueden ser construidos en el sitio o prefabricados y normalmente utilizan condensadores remotos de diversos tamaños. En la industria, por lo general, utilizan cuartos fríos de hasta 5 HP, pudiendo tener más de uno, dependiendo de las temperaturas que requieran. Normalmente puede ser uno para media y otro para baja temperatura. Los cuartos fríos pueden llegar a ser bodegas refrigeradas cuando su función primordial no es enfriar producto, sino mantenerlo frío y cuentan con estanterías elevadas y dependiendo del tamaño, pasillos para paso de elevadores10.
9 Ibid.,p.1 10 Historia-y-aplicación-de-la-refrigeración, op. Cit., disponible en internet: http://es.scribd.com/doc/65569139/3/HISTORIA-Y-APLICACION-DE-LA-REFRIGERACION
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Figura 11. Cuartos fríos prefabricados Fuente: Ramosconstructivos/servicios [en línea]; http://ramosconstructivos.com, [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet:.http://ramosconstructivos.com/ servicios.html 5.9 LA AUTOMATIZACION INDUSTRIAL El termino comprende toda la serie y métodos, técnicas y aparatos que permiten regir el funcionamiento de máquinas e instalaciones industriales a fin de que se efectúen de la manera prevista con la mínima fatiga por parte de los operadores humanos11. 5.10 MODELO ESTRUTURAL DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO La estructura de un sistema puede clasificarse en dos partes claramente diferenciadas: 11
Wikipedia. automation, [en linea]; Wikipedia Foundation, Inc., [Consultado 01 septiembre de 2012]
Disponible en internet: http://en.wikipedia.org/wiki/Automation
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5.2.1. Parte operativa. Formada por un conjunto de dispositivos, maquinas o subprocesos, diseñados para la realización de determinadas funciones fabricación. 5.10.2. Parte de control y mando. Es el dispositivo en cargado de realizar la coordinación de las distintas operaciones encaminadas a mantener a la parte operativa bajo control. El sometimiento de la parte operativa se logra mediante le mantenimiento continuo de un intercambio de información entre la primera y la parte de control. Dicho intercambio se establece a través de los captadores binarios, transductores (analógicos o digitales) y dispositivos de pre accionamiento12. Figura 12. Modelo de estructural de un sistema automatizado
Fuente: GARCIA MORENO, Emilio. Automatización de procesos industriales, alfa omega, p.11. 12
GARCIA MORENO, Emilio. Automatización de procesos industriales,Alfa y omega. p10-p11.
39
5.11 AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS. Automatización, sistema de fabricación diseñado con el fin de usar la capacidad de las máquinas para llevar a cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres humanos, y para controlar la secuencia de las operaciones sin intervención humana13. Figura 13. Niveles de comunicación en automatización de procesos
Fuente: Automatización industrial áreas de aplicación para ingeniería [en línea]; Blog del InCyTDe., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.blogincytde.energynewsmagazine.com/?p=541 5.12 INTERFAZ HOMBRE MAQUINA (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 13 Armando320, Automatización de procesos,[en linea].Miarroba networks, s.l., [Consultado 05 septiembre de 2012],disponible en internet: http://mecatronica.blogcindario.com/usuarios/4171511-armando320.html
40
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 máquinas14.
Figura 14. Interfaz hombre maquina por Software
Fuente: CUERPO ACADEMICO DE INFORMATICA APLICADA, UNIVERSIDAD AUTONOMA DE QUERETARO, mexico [en línea]; CUERPO DE INFORMÁTICA APLICADA., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet: http:// .uaq.mx/academia/industrial/estado.html 14
Wikipedia. automation, [en linea]; Wikipedia Foundation, Inc., [Consultado 01 septiembre de 2012] Disponible en internet: http://en.wikipedia.org/wiki/Automation
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5.13 TIPOS DE HMI 5.13.1. 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)15. Figura. 15. Algunos HMI
Fuente: TECHDISING [en línea]; TECHDISING.COM.EC, [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.techdesign.com.ec/techdesign/index.php? Option=com_content&view=article&id=49: thinget&catid=29:the-cms&Itemid=65
15 Ibid, tomado de internet: http://en.wikipedia.org/wiki/Automation
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5.13.2. Software HMI para PC. Esto constituye otra alternativa basada en un PC en donde se carga un software apropiado para la aplicación. Como PC se puede utilizar cualquiera, existen los llamados PC Industriales (para ambientes agresivos), los de panel PC) que se instalan en gabinetes dando una apariencia de terminal de operador, y en general veremos muchas formas de hacer un PC, pasando por el tradicional PC de escritorio16. Figura. 16. Interfaz hombre maquina por Software
Fuente: CUERPO ACADEMICO DE INFORMATICA APLICADA, UNIVERSIDAD AUTONOMA DE QUERETARO, mexico [en línea]; CUERPO DE INFORMÁTICA APLICADA., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet: http:// .uaq.mx/academia/industrial/estado.html.
16 Ibid, tomado de internet: http://en.wikipedia.org/wiki/Automation
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5.14 MONITOREO
El monitoreo es la herramienta que permite evaluar el comportamiento del sistema con respecto a una base de referencia, una vez identificado alguna variación negativa en el comportamiento de dicho indicador, se toman las acciones correctivas para regresar a las condiciones iniciales o mejorarlas incluso (control)17. Figura. 17. El muestreo
Fuente: El muestreo, mexico [en línea]; EMSSI, [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet http://www.emssiweb.com/cursos/tutoriales/fuentes-de-sonido-en-car-audio-4/el-radiocd-4/4-el-cd-compact-disc-26.html 5.15 CONTROLADORES Son dispositivos electrónicos que por una programación desarrollada por los usuarios hace que las maquinas cumpla con una tarea18. 5.15.1. Microcontroladores. Un microcontrolador (abreviado μC, UC o MCU) es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una
17 Wikipedia. scada, [en linea]; Wikipedia Foundation, Inc., [Consultado 03 septiembre de 2012], tomado de internet: http://es.wikipedia.org/wiki/scada 18 Ibid, tomado de internet: http://es.wikipedia.org/wiki/SCADA
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tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida19. Figura. 18. Microcontrolador.
Fuente: SISEMAS ENBEBIDOS [en línea]; sistemas-embebidos-fce.blogspot.mx., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet: http://sistemas-embebidos-fce.blogspot.com/p/microcontroladores.html.
5.15.2 PCL Los controladores lógicos programables o PLC ( programable logic controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en automatización industrial. Como su mismo nombre lo indica, se ha diseñado para programar y controlar procesos secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible encontrar este tipo de equipos en ambientes industriales. Los PLC sirven para realizar automatismos; son dispositivos electrónicos que reproducen programas informáticos, que permiten controlar procesos20. 19 Wikipedia, Microcontroladores, [en linea]; Wikipedia Fundación. Inc., [Consultado 07 septiembre de 2012]. Disponible en internet: http://es.wikipedia.org/wiki/microcontroladores 20
Wikipedia, Plc, [en linea]; Wikipedia Fundación. Inc., [Consultado 07 septiembre de 2012]. Disponible en internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_L%C3%B3gico_Programable
45
Figura 19. Diversos PLC
Fuente: SIEMENSSUPPLY [en línea];[Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.siemenssupply.com/
5.15.3 . PAC. Un controlador de automatización programable, o PAC (del inglés Programable Automation Controller), es una tecnología industrial orientada al control automatizado, al diseño de prototipos y a la medición. El PAC se refiere al conjunto formado por un controlador (una CPU típicamente), módulos de entradas y salidas, y uno o múltiples buses de datos que lo interconectan todo. Este controlador combina eficientemente la fiabilidad de control de un autómata (controlador lógico programable o PLC) junto a la flexibilidad de monitorización y cálculo de un PC. A veces incluso se le une la velocidad y personalización de la microelectrónica. Los PACs pueden utilizarse en el ámbito investigador (prototipaje rápido de controladores o RCP), pero es sobre todo en el industrial, para control de máquinas y procesos, donde más se utiliza. A destacar los siguientes: múltiples lazos cerrados de control independientes, adquisición de datos de precisión,
46
análisis matemático y memoria profunda, monitorización remota, visión artificial, control de movimiento y robótica, seguridad controlada, etc21. Figura 20. El PAC
Fuente: alibaba [en línea];[Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet:http://spanish.alibaba.com/product-free/touch-screen-programmable-automatic-transfer-switch-ats-controller-103322534.html
5.16 CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS El objetivo del control automático de procesos es mantener en determinado valor de operación las variables del proceso tales como: temperaturas, presiones, flujos y compuestos., los procesos son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren cambios y si no se emprenden las acciones pertinentes, las variables importantes del proceso, es decir, aquellas que se relacionan con la seguridad, la calidad del producto y los Índices de producción, no cumplirán con las condiciones de diseño22, los tipos de control más usados son: Control de dos posiciones (on – off). Control de lazo abierto. Control de lazo cerrado.
21 Wikipedia, Pac, [en linea]; Wikipedia Fundación. Inc., [Consultado 07 septiembre de 2012]. Disponible en internet: http://es.wikipedia.org/wiki/ Controlador_de_Automatizaci%C3%B3n_Programable
47
Figura 21. Control automático
Fuente: sapiensman [en línea];[Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.sapiensman.com/control_automatico/control_ automatico.htm.
5.17 CONTROL ON-OFF Acción de control de dos posiciones, o encendido – apagado. En un sistema de dos posiciones, el actuador tiene solo dos posiciones fijas, que en muchos casos son, simplemente conectados o desconectado. El controlador de dos posiciones, o de encendido – apagado es relativamente simple y económico, y por esta razón se usa ampliamente en sistemas de control, tanto industriales como domésticos. Sea u(t) la señal de salida del controlador y e(t) la señal de error . En un controlador de dos posiciones, la señal u(t) permanece en un valor máximo o mínimo, según sea la señal error positiva o negativa, de manera que u(t) = U1 para e(t) > 0, U2 para e(t) < 0 El control on/off, el menos caro, el más comúnmente utilizado método de control, es encontrado en calentamiento doméstico y sistemas de agua, refrigeradores, etc. Cuando la variable medida está sobre o debajo de su punto deseado, el controlador simplemente abre o cierra el elemento final de control. Debido a la fricción mecánica, el controlador opera dentro de un intervalo, tomando acción justo bajo el set point y deteniéndose justamente sobre él23.
23 Jos3pl, Control on-of,[en linea]; buenastareas.com.[consultado 07 septiembre 2012]. Disponible en internet: http://www.buenastareas.com/ensayos/Control-On-Off/1252929.html
48
Figura 22. Control on-off
Fuente: sapiensman [en línea];[Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.sapiensman.com/control_automatico/control_autom atico2.htm#el_control_si_no
5.18 CONTROL DE LAZO ABIERTO
Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada que depende del criterio y la estimulación del hombre24 dando como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador, Estos sistemas se caracterizan por : Ser sencillos y de fácil concepto. Nada asegura su estabilidad ante una perturbación. La salida no se compara con las entradas. Al ser afectado por las perturbaciones. Éstas pueden ser tangibles o intangibles. La precisión depende de la previa calibración del sistema. No toma en cuenta todas las variables que afectan el sistema. 24 Wikipedia, Sistemas de control, [en linea]; Wikipedia Fundación. Inc., [Consultado 07 septiembre de 2012]. Disponible en internet: http://es.wikipedia.org/wiki/ http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_control
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Figura 23. Lazo abierto
Fuente: recursostic.educacion.es [en línea]; http://recursostic.educacion.es, [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet: http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena11/4quincena11_contenidos_2b.htm 5.19 CONTROL DE LAZO CERRADO
Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación (cadena de retorno) desde un resultado final para corregir el error realizando la acción de control en consecuencia. El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias: - Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre. - Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar. Sus características son : Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros. La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema. Su propiedad de retroalimentación.
50
Ser más estable a perturbaciones y variaciones internas25. Figura 24: Sistemas de Lazo Cerrado
Fuente: /recursostic.educacion.es [en línea]; http://recursostic.educacion.es, [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet: http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena11/4quincena11_contenidos_2b.htm
5.20 REALIMENTACION La propiedad de un sistema de lazo cerrado que permite que la salida (o cualquier otra variable controlada del sistema) sea comparada con la entrada al sistema de manera tal que se pueda establecer una acción de control apropiada como función de la diferencia entre la entrada y la salida. Generalmente se dice que existe retroalimentación en un sistema cuando existe una secuencia cerrada de relaciones de causa y efecto ente las variables del sistema. 25Ibid, Disponible en internet: http://es.wikipedia.org/wiki/ http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_control
51
Figura 25. Sistemas de lazo cerrado
Fuente: forosdeelectronica [en línea]; www.forosdeelectronica.com, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.forosdeelectronica.com/tutoriales/realimentacion.htm
52
6 METODOLOGIA
Con el fin de cumplir los objetivos del proyecto, se usara el diseño concurrente; aplicado al diseño de productos mecatrónico. 6.1 Fase de planeación del proyecto En esta fase se llevaran a cabo los siguientes procesos cognitivos: Análisis del sistema actual tanto de componentes, como del funcionamiento. Documentar la información obtenida del análisis anterior. Discernir acerca de posibles mejoras. 6.2 Fase de Desarrollo Conceptual Durante este proceso podremos: Identificar las necesidades mejorarían el sistema refrigeración basándose en
información obtenida
Entrevistar a operarios del sistema de refrigeración, ingenieros de procesos y personal administrativo de ASOPESPA.
buscar información en libros especializados, foros, artículos virtuales, artículos
físicos, fabricantes, vendedores y profesionales del ramo. observar el sistema actual. Generar conceptos de diseño con el fin de cubrir las necesidades. 6.3. Fase de diseño industrial En este proceso se hará: Prueba de conceptos, en esta parte se realiza una selección entre los concepto
que mostraron una mayor viabilidad confirmándonos el concepto a desarrollar y adicionalmente haremos una síntesis de la información acerca de la aceptación del producto por los usuarios potenciales.
53
Diseño detallado, durante esta etapa se hace la documentación del proyecto, selección de los sistemas con sus partes y dimensionamiento de los componentes
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7 PRESUPUESTO Cuadro 1. Presupuesto del proyecto. DETALLE/REPONSABLES UAO ESTUDIANTE ASOPESPA
INTERNET $35000 PAPELERIA $60000
COMPUTADORES $1000000 $1000000 ASESOR UAO $2000000 FOTOCOPIAS $50000 TRANSPORTE $500000
SOFTWARE $500000 MATERIALES $200000 $400000
TOTAL $2500000 $1345000 $1400000 $5245000
Los costos por los computadores serán cubiertos así: 1. Por el estudiante, este es el computador donde se realizara el diseño. 2. Por la empresa, en este computador es donde se harán las pruebas en la empresa. Los materiales puestos a disposición por la empresa son repuestos almacenados para prevención de posibles daños en los equipos. Los costos por software, son cubiertos por la universidad ya que se utilizaran software de licencias académicas aportadas por la universidad.
55
8 PROCESO DE PLANIFICACIÓN DEL PRODUCTO
Para realizar un enfoque de las características funcionales y físicas necesarias en el sistema de monitoreo y control, se hace un análisis de los diferentes factores que pueden intervenir y dar forma al sistema, este análisis es llamado planificación del producto y consta de varias etapas descritas durante la metodología de diseño concurrente. 8.1 DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO Es la actividad durante la cual se enumeran características que se incorporaran en el producto final. El producto debe contar con los siguientes elementos: Sensor de temperatura. Unidad de control. Interfaz hombre máquina en el cuarto frio. Interfaz hombre máquina en el cuarto de control. Base de datos para llevar registros en computadora. Manual de funcionamiento de usuario. Manual técnico en el cual se describen los planos y recomendaciones de
mantenimiento. 8.2 PRINCIPAL OBJETIVO DE MARKETING Durante esta actividad se presta atención a las experiencias de las personas y empresas del sector de conservación de alimentos y se realizan comparaciones y análisis de productos similares. El primer estudio de necesidades en el sector arroja como resultado las siguientes necesidades y recomendaciones: Diseñar un sistema de monitoreo y control de cuartos fríos. Diseñar un sistema que sea autosostenible, que presente buenas prestaciones
energéticas y su relación con el medio ambiente sea (Sistema eco-friendly) Desarrollar un producto que se pueda comercializar en la región de influencia,
permitiendo reparación y mantenimiento con elementos de fácil consecución en el mercado interno.
una base tecnológica con el fin crear una empresa dedicada a distribuir controles automáticos de monitoreo y control para cuartos fríos.
56
8.3 MERCADO PRIMARIO
Industria pesquera de la región. Industria cárnica de la región. Industria de conservación de alimentos en general.
8.4 MERCADO SECUNDARIO
Industria de los helados. Industria avícola. Otros sectores de almacenamiento de alimentos.
8.5 PREMISAS Y RESTRICCIONES Las premisas (oportunidades) y las restricciones (limitaciones) de la planeación según el primer estudio se han determinado como las siguientes:
Interfaz gráfica de fácil manejo e interpretación. Valores de referencia , operación y control configurables (Setpoint)
Configurable Sistema de control configurable. Materiales de fácil consecución en la región.
8.6 PARTES IMPLICADAS Son las personas o grupos de personas que van a interactuar con ideas, condiciones y necesidades durante el proceso de diseño. Para este proyecto en particular se ha determinado que los principales actores en el manejo y ejecución del mismo son:
Empresas del sector pesquero. Equipo de diseño y manufactura. Compradores y usuarios. Técnicos en refrigeración.
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9. LISTA DE NECESIDADES DEL CLIENTE
En la siguiente lista se presentan en forma de propuesta algunas de las necesidades del cliente de forma coloquial esto debido a la región en la cual está circunscrita el proyecto, Muchas de las propuestas son de tipo técnico. Las necesidades son valoradas según criterios de los clientes Teniendo en cuenta su importancia y van estandarizadas con calificaciones entre 1 y 5, donde 5 es la calificación asignada a un alto grado de importancia y 1 al de menor importancia. Cuadro 2. Necesidades y requerimientos
N° Necesidades y requerimientos Imp- 1 “Que el proceso se realice con la mínima intervención de operarios”. 5 2 “Que se pueda ver con facilidad los valores del proceso”. 3 3 “Que se puedan monitorear el proceso desde algún computador en el
cuarto de control”. 3
4 “Que solo consuma de potencia eléctrica necesaria ósea que el consumo energético sea el menor posible.”.
4
5 “Que encaje en la caja de mando”. 3 6 “Los voltajes de alimentación sean los utilizados en la industria
colombiana”. 5
7 “Que indique los errores de temperatura”. 2 8 “Que el valor de funcionamiento sea ajustable”. 5 9 “Que muestre el valor de la temperatura”. 3 10 “Que avise cuando se presenten fallas criticas del sistema, como por
ejemplo variaciones altas en los valores de temperatura”.* 2
11 “Que indique cuando se encuentra en funcionamiento el sistema.”. 4 12 “Que genere alarmas en caso de pérdida de frio”. 4 13 “Que tenga buena apariencia”. 2 14 “Que se puede conectar en la caja de mando en la empresa”. 5 16 “Que sea fácil de utilizar”. 4 17 “Que los componentes del sistema sean fácil de conseguir en la
región”. 4
18 “Que tenga manual de instalación”. 4 19 “Que trabajen entre -25 y 20 grados Celsius de temperatura”. 5 20 “Que la información visualizada en los HMI sea de fácil
entendimiento”. 2
21 “Que muestre los valores de temperatura”. 3 22 “Que funcione con las diferentes máquinas que se usan en la industria
actual”* 5
23 “Que Controle el compresor existente en la empresa” 5
58
10. METRICAS Y SUS UNIDADES Cuadro 3. Lista de necesidad, requerimiento y métricas.
Necesidad Requerimiento Métrica Imp. Unidad
1,16 Proceso automático. % del proceso automático. 5 %
2,3,9,11,21,23
HMI con información clara. Numero de DISPLEYS
4 #
4 Bajo consumo de potencia eléctrica.
Kw/h 2 Kw/h
5 Dimensiones. Cm 3 Cm 6,14 Voltaje de alimentación del
sistema. V 5 V
7,10,12 Alarmas para fallas. lista 4 lista 8,19 Configuración de parámetros
variable. lista 3 lista
13 Carcasa agradable a la vista. subjetiva 3 subjetiva
16,17,18,21 Fácil de usar. subjetiva 2 subjetiva
18 Manual de funcionamiento. lista 3 lista 17 Fácil mantenimiento. Subjetiva 3 subje
tiva 19 Rango de temperaturas de
trabajo. ºC 5 ºC
23 Acceso remoto para visualizar los valores de temperatura.
Mts 3 Mts
24 Variar la velocidad del compresor.
Frecuencia 5 Hz
6,24 Entregar Voltaje para alimentar el compresor.
VOLTAJE 5 V
59
11. MATRIZ QFD
Tabla 1. Matriz QFD
0
Impo
rtanc
e of
the
WHA
Ts
1
5,0
3,0
3,0
4,0
3,0
5,0
2,0
5,0
3,0
2,0
4,0
4,0
2,0
5,0
4,0
4,0
4,0
5,0
2,0
3,0
5,0
5,0
Pro
ceso
tota
lmen
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utom
ático
HM
I con
info
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Baj
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nsum
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ctrica
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Vol
taje
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Ala
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Con
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4,9
4,9
4,9
6,1
2,4
3,7
6,1
6,1
Max
= 6
,1Pe
rcen
t Impo
rtanc
eM
in =
2,4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Di rection of Improvement 1
Que el proces o se real ice sin la in tervención de operarios
Que s e pueda ver con fac il idad los va lores del proceso
Que se puedan moni torear el proces o des de algún computador de la planta
So lo consuma de potencia eléc trica nec esaria
Que quepa en la ca ja de mando
Los vol tajes de a limentación sean los uti lizados en la industria co lombiana
Indicara los errores de temperatura
valores de funcionamiento ajustab le
Que mues tre el valor de la temperatura
Que avise cuando al lá fal las cri tica del s is tema
Que indique c uando es ta encendido e l sistema y sus partes
Señal de alarma encas o de pérd ida de frio
Que sea agradable a la vista
Que se puede c onectar en la c aja de mando en la empres a
Fac il idad para util izar
Que los componentes de l sistema s ean fac iles de consegir en la region
Que tenga manual de ins ta lación
Que trabajen en este rango de temperatura
Tendrá una fáci l visua lizac ión de los HMI
Muestre los valores de temperatura
Que funcione con las d iferentes maquinaria ins ta ladas en la p lanta
Contro le e l compresor existente en la empresa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Importance of the HOW s 1
54,9
146,
3
43,9
32,9
59,8
87,8
54,9
22,0
48,8
65,9
58,5
32,9
54,9
109,
8
Perc ent Importance of the HOW s 2
6,3
16,8
5,0
3,8
6,8
10,1
6,3
2,5
5,6
7,5
6,7
3,8
6,3
12,6
Max = 16,8
Percent Importanc e of the HOWs
Min = 2,5
Competi tive Benc hmarking Results 4
Our Current Product 5
Competi tor 1 6
Competi tor 2 7
Targets for Our Future Product 8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11
12
13
14
T ra deo ffs
Synergy 1,0Compromise -1,0
D irec ti on o f Im provem e nt
Maximize 1,0T arget 0,0Min imize -1,0
S ta nda rd 9 -3 -1
Strong 9,0Moderate 3,0Weak 1,0
Title
60
12. ESPECIFICACIONES TECNICAS PRELIMINARES
Cuadro 4. Métricas
METRICAS Unidades valor 1 Proceso automático. % 85% 2 HMI con información clara. subj >4 3 Bajo consumo de potencia eléctrica. Kw/h 4 Dimensiones. Cm 5 Voltaje de alimentación. V 220 6 Alarmas para fallas. list 7 Configuración de parámetros variables. List List 8 Carcasa agradable a la vista. Subj >3 9 Fácil de Usar. Subj >3 10 Manual de funcionamiento. List # 11 Fácil de reparar. Subj >3 12 Rango de temperatura. ºC >3 24 Variar la velocidad del compresor. Frecuencia Min 20Hz-
max60Hz 14 Entregar Voltaje para alimentar el
compresor. Voltage 220v
Para la unidades Subjetivas E = Excelente, B = Bueno, R = Regular y M = Malo.
61
13. ANÁLISIS DE LA MATRIZ QFD Basados en la información depositada en la matriz QFD se obtuvieron resultados acerca de la importancia de las necesidades y requerimientos; Cuadro 5. Requerimientos del sistema.
Nº REQUERIMIENTOS INPORTANCIA 1 Proceso automático 11.4 2 HMI con información clara 10,8 3 Bajo consumo de potencia eléctrica 2,8 4 Dimensiones 1,5 5 Voltaje de alimentación del sistema 6,0 6 Monitoreo y Alarmas 10,5 7 Configuración de parámetros ajustable 6,1 8 Carcasa agradable a la vista 2,5 9 Fácil de usar 6,7 10 Manual de funcionamiento 7,5 11 Fácil mantenimiento 6,7 12 Rango de temperaturas 6,3 13 Acceso remoto para visualizar los valores de
temperatura 3,5
14 Controle el compresor coopeland 12,6
62
Cuadro 6. Necesidades del cliente.
No NESECIDADES IMPORTANCIA
1 Que el proceso se realice con la mínima intervención de operarios.
6,1
2 Que se pueda ver con facilidad los valores del proceso. 3,7 3 Que se puedan monitorear el proceso desde algún
computador de la planta. 3,7
4 Solo consuma de potencia eléctrica necesaria. 4,9 5 Que quepa en la caja de mando. 3,7 6 Los voltajes de alimentación sean los utilizados en la
industria colombiana. 6,1
7 Indicara los errores de temperatura. 2,4 8 Valores de funcionamiento ajustable. 6,1 9 Que muestre el valor de la temperatura. 4,9 10 Que avise cuando allá fallas critica del sistema. 4,9 11 Que indique cuando esta encendido el sistema y sus
partes. 2,4
12 Señal de alarma en caso de pérdida de frio. 6,1 13 Que sea agradable a la vista. 4,9 14 Que se puede conectar en la caja de mando en la
empresa. 4,9
15 Facilidad para utilizar. 4,9 16 Que los componentes del sistema sean fáciles de
conseguir en la región. 4,9
17 Que tenga manual de instalación. 4,9 18 Que trabajen entre -25 y 20 grados Celsius de
temperatura. 6,1
19 Tendrá una fácil visualización de los HMI. 2,4 20 Muestre los valores de temperatura. 3,7 21 Que funcione con las diferentes maquinarias instaladas
en la planta. 6,1
22 Controle el compresor existente en la empresa. 6,1
63
Haciendo una síntesis de la información de las tablas anteriores se dice que : 13.1 Las necesidades de mayor importancia son las siguientes.
- Que el proceso se realice con la mínima intervención de operarios. - Los voltajes de alimentación sean los utilizados en la industria
Colombiana. - Que los valores de funcionamiento sean ajustable. - Que se pueda conectar a la caja de mando de la empresa - Que trabajen entre -25°C y 20°C. - Que funcione con diferentes compresores actuales. - Controle el compresor existente en la empresa. - Señal de alarma en caso de pérdida de frio.
13.2 Las necesidades de menor importancia son las siguientes
- que Indique errores de temperatura. - Que indique cuando el sistema presente fallas críticas. - Que sea agradable a la vista. - Que la información visualizada en los HMI sea fácil de entender.
13.3 Los requerimientos de mayor importancia son las siguientes
- Proceso automático. - HMI con información clara. - Monitoreo y alarmas. - Variar la velocidad del compresor. - Entregar voltaje para alimentar el compresor. - Fácil de usar.
13.4 Los requerimientos de menor importancia son las siguientes
- Dimensiones. - Carcasa agradable a la vista. - Bajo consumo de potencia eléctrica.
Hasta esta parte del proceso se ve que el funcionamiento automático es la parte más importante a tener en cuenta durante el proceso de diseño.
64
14. DESCOMPOSICION FUNCIONAL CAJA NEGRA
Para tener una mejor descripción de que tiene que hacer cada elemento del sistema para cumplir con la función principal se hace una descomposición funcional. Antes de iniciar la descomposición funcional se representa el sistema como una caja negra en función entradas y salidas de la energía, el material y las señales que entran y salen del sistema. Figura 26. El sistema visto como Caja negra
Energía
Voltaje de alimentación
Señal
Señal de control
Información de la
temperatura.
Información Setpoit.
Voltaje en el compresor
Modo de operación
Señal
Setpoint
on/of
Temperatura
SISTEMAS DE
MONITOREO Y
CONTROL DE
CUARTO FRIOS
DE LA PESQUERA
ASOPESPA
65
15. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL, FUNCIONES Y SUDFUNCIONES.
Figura 27. Descomposición funcional
ENERGIA
Tención eléctrica de
la red la empresa
Señal de control
Información de la
temperatura.
Información
Setpoit.
Voltaje en el
compresor
Modo de operación
SEÑAL
Señal del sensor de
temperatura del cuarto frio
SEÑAL
Señal del setpoint
ingresado por el
usuario Recibir y mostrar
Setpoint
Acepta energía para
cada uno de los
componentes del
sistema de control.
Realizar corrección y enviar
Señal de control al
compresor
Recibir y mostrar Información del
sensor de
temperatura
Comparar el valor de
temperatura del
cuarto frio con el
setpoint y calcular
corrección
Tomar el voltaje
Frecuencia de la red
comercial como señal de
control
66
16. SELECCIÓN DE CONCEPTOS Es de mencionar que el sistema de monitoreo y control está compuesto por varios elementos que en conjunto funcionan como un sistema y realizan el trabajo requerido en el cuarto frío, los elementos que integrarán este sistema serán seleccionados según las características dictaminadas por los valores estadísticos obtenidos de las matriz QFD y la descomposición funcional. A continuación se presentan los conceptos generados a partir de la matriz QFD y la descomposición funcional. 16.1 CONCEPTOS GENERADOS.
1. Acepta energía para cada uno de los componentes del sistema de control. - Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. - Utilizar celdas solares.
2. Tomar el voltaje y Frecuencia de la red comercial como señal de control.
- PLC. - Microcontrolador. - Computador. - Variador de frecuencia.
3. Realizar corrección a la frecuencia del voltaje de la red. - Utilizar contactores. - Utilizar relés. - Utilizar Variador de frecuencia.
67
17. COMBINACION DE CONCEPTOS
Esta tabla permite identificar las posibles combinaciones de soluciones para las subfunciones . De esta forma se puede obtener una solución completa para el problema. Cuadro 7. Subfunciones del sistema
De esta tabla podemos ver que se obtienen 24 combinaciones 1.
Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. PLC. Contactores.
2. Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. PLC. Relés.
3. Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. PLC. Variador de frecuencia.
4. Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Microcontrolador.
Acepta energía para cada uno de los componentes del sistema de control.
Tomar el voltaje y Frecuencia de la red comercial como señal de control.
Realizar corrección a la frecuencia del voltaje de la red.
Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa.
PLC.
Utilizar contactares.
Utilizar celdas solares Microcontrolador.
Utilizar relés.
Computador. Utilizar Variador de frecuencia.
Variador de frecuencia.
68
contactores. 5.
Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Microcontrolador. Relés.
6. Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Microcontrolador. Variador de frecuencia.
7. Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Computador. contactores.
8. Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Computador. Relés.
9.
Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Computador. Variador de frecuencia.
10. Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Variador de frecuencia. relés.
11.
Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Variador de frecuencia. contactores.
12.
Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Variador de frecuencia. Variador de frecuencia.
13. Celdas solares. PLC. Contactores.
14. Celdas solares.
69
PLC. Relés.
15. Celdas solares. PLC. Variador de frecuencia.
16. Celdas solares. Microcontrolador. contactores.
17. Celdas solares. Microcontrolador. Relés.
18. Celdas solares. Microcontrolador. Variador de frecuencia.
19.
Celdas solares. Computador. Contactores.
20. Celdas solares. Computador. Relés.
21. Celdas solares. Computador. Variador de frecuencia.
22. Celdas solares. Variador de frecuencia. Contactores.
23. Celdas solares. Variador de frecuencia. Relés.
24. Celdas solares.
70
Variador de frecuencia. Variador de frecuencia.
71
18. SELECCIÓN DE CONCEPTOS
En esta primera parte de la selección de conceptos solo serán tomadas en cuenta las oportunidades de diseño que parecen más viables según los siguientes criterios de selección, y la opinión de expertos. Cuadro 8. Criterios para la selección de concepto.
N º
CRITERIOS PARA SELECCIÓN DE CONCEPTOS
1 Adaptabilidad a la tecnología de la empresa. 2 Rápida instalación (Facilidad para conseguir componentes en la región). 3 Facilidad para dar soporte (Facilidad para conseguir componentes en la
región). 4 Menor costo. 5 Eficiencia. 6 Eficacia. 7 Bajo consumo de energía. 8 Menor costo. 9 Fácil operación.
Los primeras alternativas de diseño (o combinaciones) a ser descartadas son las que cuentan entre sus elementos con relés, porque los relés son elementos on/of y funcionan con voltajes muy inferiores a los que se manejan en la pesquera ASOPESPA. Otras alternativas de diseño que serán descartadas en esta etapa del proyecto son la que poseen como fuente de alimentación celdas solares, aunque las celdas solares son un elemento amistoso con el ambiente, su implementación trae consigo trabajos de mampostería que no hacen parte del proyecto. En el cuadro siguiente se muestran las Principales alternativas de diseño.
72
Cuadro 9. Principales alternativas de diseño
Cuadro 10. Combinaciones principales alternativas de diseño
A Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. PLC. Variador de frecuencia
B Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. PLC. Contactor
C Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Variador de frecuencia.
D Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. microcontrolador Variador de frecuencia.
F Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa. Microcontrolador. Contactor.
PRINCIPALES ALTERNATIVAS DE DISEÑO Acepta energía para cada uno de los componentes del sistema de control.
Tomar el voltaje y Frecuencia de la red comercial como señal de control.
Realizar corrección a la frecuencia del voltaje de la red.
Tomar energía directamente de la red eléctrica interna de la empresa.
PLC. Variador de frecuencia
Variador de frecuencia. Contactor Microcontrolador
73
19. MATRIZ DE TAMIZAJE Esta tabla llamada matriz de tamizaje se realiza en proceso de selección de los mejores conceptos, para la selección se toma un sistema de referencia, para este caso el sistema de control existente en la pesquera y se compara con las principales alternativas de diseño seleccionadas hasta este punto del proceso: El signo “+” se utiliza para indicar que el concepto observado cumple mejor el criterio de selección mejor que el sistema actual de la planta. El signo “0”indica que el concepto observado cumple igual el criterio de selección que el sistema actual de la planta. El signo “-”indica que el concepto observado cumple en menor cuantía el criterio de selección que el sistema actual de la planta. Cuadro 11. Matriz de tamizaje .
VARIANTES DE CONCEPTOS Ref. N
º CRITERIOS PARA
SELECCIÓN DE CONCEPTOS A B C D F
1 Adaptabilidad a la tecnología de la empresa. + + + + 0 0
2 Rápida instalación (Facilidad para conseguir componentes en la región).
0 0 0 0 0 0
3 Facilidad para dar soporte (Facilidad para conseguir componentes en la región).
+ + - - - 0
4 Menor costo. - - - + + 0 5 Eficiencia. + - + + - 0 6 Eficacia. + - + + - 0 7 Bajo consumo de energía. 0 0 0 + + 0 9 Fácil operación. + 0 0 - - 0 POSITIVO 5 2 3 4 2
IGUALES 3 4 2 1 2
NEGATIVOS 1 3 0 2 4
TOTAL 4 -1 3 2 -2
¿Continuar? si no si si No
74
Los posibles diseños que utilizan contactores como elemento de su sistema van a ser descartadas, porque los contactores son elementos on/off y no son utilizados en sistemas de control lineal.
75
20. MATRIZ PARA EVALUAR COMCEPTOS En esta parte del proceso de selección de conceptos se continúa buscado el mejor concepto que pueda ser diseñado, ahora damos valores porcentuales a los criterios de selección y se califican de 1 a 5 lo capacidad del concepto para cumplir con los criterios de selección, paso a seguir se pondera los valores de las variantes y se suman la variante con el puntaje más alto será el concepto a seguir. Cuadro 12. Valoración porcentual de criterios de selección.
Por la información obtenida la matriz de conceptos podemos ver que el concepto A es el que mejores prestaciones para cumplir con las tareas que son necesarias para el sistema de monitoreo y control.
Variantes de concepto A C D
Adaptabilidad a la tecnología de la empresa.
20%
4 0,8 4 0,8 4 0,8
Rápida instalación (Facilidad para conseguir componentes en la región).
10%
4 0,4 5 0,5 3 0,3
Facilidad para dar soporte (Facilidad para conseguir componentes en la región).
10%
4 0,4 3 0,3 3 0,3
Menor costo. 10%
3 0,3 2 0,2 4 0,4
Eficiencia. 15%
5 0,75 4 0,6 4 0,6
Eficacia. 15%
5 0,75 5 0,75 5 0,75
Bajo consumo de energía. 10%
3 0,3 4 0,4 4 0,40
Fácil operación. 10%
3 0,3 2 0,2 2 0,2
TOTAL 4 3,75 3,75
¿Continuar? Si No no
76
21. ARQUITECTURA DEL PRODUCTO Para el diseño del sistema de monitoreo y control de la pesquera ASOPESPA se consideran las características de la empresa como lo son la distribución de las áreas donde van a ser instaladas las diferentes partes del sistema de monitoreo y control. Estas áreas son: 1) piso primero se encuentra el cuarto frío En este piso se instalara uno o dos sensores de temperatura, un sensor de puerta abierta, un HMI que permita visualizar diferentes valores de temperatura de la planta entre otros datos. 2) piso 2 la oficina de procesos En la oficina de procesos se contara con un computador que posee un HMI, esta HMI muestra los valores de temperatura de cuarto frío, alarmas de puerta abierta, informa del estado del compresor, almacena información, del comportamiento del cuarto frío, entre otros dato. 3). Piso 3 es el cuarto de máquinas. En el cuarto de máquinas instalaremos el controlador y el elemento (variador de velocidad), el elemento controlador deberá tomar la señal del sensor de temperatura y ejecutar las acciones de control necesarias también deberá enviar esta información al computador ubicado la oficina de procesos. 4) algo más para tener en cuenta es que la planta posee otros 2 cuartos fríos que En algún momento pueden ser considerados para formar parte del sistema. Con esta información de las características acerca como están distribuidas las áreas de la empresa hay que proceder a en contar una solución al problema de comunicación entre los componentes del sistema.
77
Figura 28: Distribución de habitaciones de la planta En la siguiente tabla se muestran los principales elementos físicos que conforma el sistema automático para monitoreo y control de la pesquera ASOPESPA, Cuadro 13. Arquitectura del producto
Por la distribución física de las áreas en la pesquera, se puede entender que:
- Los elementos que conforma el sistema de control van a estar separados por distancias que pueden afectar el intercambio de información entre los elementos.
ARQUITECTURA DEL PRODUCTO
Ele
men
tos
físic
os
del s
iste
ma
de
mon
itore
o y
cont
rol
de la
pe
sque
ra
AS
OP
ES
PA
Alimentación eléctrica Red eléctrica
Control y comunicación. sensor Termocupla
PLC
PC Almacenamiento de datos
Visualización de variables. Display
OTROS Variador de frecuencia
78
- La alimentación del sistema de control dependerá de varias fuentes. - Como el sistema tiene varios elementos con diferentes fuentes de
alimentación, separado por distancias que dificultan la comunicación entre ellos, se entiende que estamos diseñando un sistema modular.
79
22. PROTOTIPADO
Con el fin de conocer y entender la interacción entre el ambiente y el producto a diseñar se realizan prototipos, para este caso de estudio se realizaron descripciones de:
- Sistema Actual Del Cuarto Frio. - Los Componentes del cuarto frio. - Sistema de control actual. - Ambientes donde serían instalados los componentes del sistema de
monitoreo y control para el cuarto frio. - Características de los elementos del sistema para monitoreo y control del
cuarto frio. 22.1 PARTES DEL SISTEMA DE CONTROL ACTUAL DEL CUARTO FRIO.
Compresor. Marca: COPELAM Potencia: 10 hp Voltaje: 440 V Frecuencia: 60 Hz
El evaporador. Potencia: 80000btu. Volteje: 440V Frecuencia: 60Hz
El cuarto frio tiene una dimensión. Almacena 200T de productos del mar
80
23. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE CONTROL ACTUAL El sistema de cuarto frío es controlado actualmente por un timer, que en un periodo de tiempo de terminado por el técnico, apaga el compresor e inicia el deshiele del evaporador; el tiempo estipulado para este caso es 30min apagado por cada 4h de funcionamiento, adicionalmente, la persona que presta el servicio de vigilancia en la empresa se encarga de apagar los cuartos fríos en las noches y lo enciende horas antes de abrir la planta, este procedimiento de apagar el cuarto frío en la noche se aplica con el fin ahorrar energía, en el cuarto frio se encuentra incrustado un termómetro el cual es el único HMI. Figura 29. Distribución de habitaciones de la planta na vez individualizados los elementos procedemos a realizar modelos del sistema y su interacción con el ambiente: 23.1 MODELO 1 Es te modelo es un gráfico del sistema que nos permite tener una aproximación de que elementos conforman el sistema, como se comunican entre ellos y las variables que interviene en el proceso.
81
Figura 30. Distribución del sistema de control 23.2 MODELO 2 En este modelo es un plano que informa de la ubicación de los elementos del sistema, así como las distancias que hay entre ellos, por ende tendremos medidas y dimensiones que pueden ser críticas en el momento de implementación del diseño. 23.3 DESCRIPCIÓN DEL AMBIENTE
Con la idea de pre visualizar las condiciones ambientales del entorno donde se hará la implementación, se hace una descripción de los factores ambientales. Esta descripción se hace por cada área donde encontramos partes del sistema.
82
Cuadro 13. Descripción del primer piso.
DESCRIPCIÓN DEL PRIMER PISO Componentes a instalar.
Alarma sonora (puerta abierta)
Emite sonidos cuando la puerta está abierta durante.
Interfaz visual HMI Muestra en la temperatura interna del cuarto frío. Sensor de puerta abierta Sp Sensa si la puerta está abierta. Sensor de temperatura St1 Mide la temperatura interna del cuarto frío. Sensor de temperatura St2 Mide la temperatura interna del cuarto frío
(redundancia en la medida). Factores ambientales
Temperatura 25°C Es la temperatura interna de la planta Humedad Si Por ser productos del mar el ambiente en
la plata es húmedo Interferencia magnética No Interferencia e eléctrica No Vibraciones y movimiento No Corrosión ambiental SI Buenaventura posee un ambiente
corrosivo salino por su cercanía al mar Cuadro 14. Descripción del segundo piso.
DESCRIPCIÓN DEL SEGUNDO PISO Componentes
HMI por computador Se puede visualizar la variables del proceso, modificar valores iniciales y seleccionar modos de funcionamiento
Computador con sistema operativo Windows XP
Factores ambientales Temperatura 20°C Humedad No Interferencia magnética No Interferencia eléctrica No Vibraciones y movimiento No Corrosión ambiental Si
83
Cuadro 15. Descripción del tercer piso
DESCRIPCION DEL TERCER PISO Componentes
PLC En él se encuentran las estrategias de
control Variador de frecuencia Este equipo que realiza cambios a la
frecuencia de la red Factores ambientales
Temperatura 28°C Humedad No Interferencia magnética Si Interferencia eléctrica Si Vibraciones y movimiento Poca Corrosión ambiental si Para darle una mayor fiabilidad al sistema se ha tomado la determinación de utilizar el sistema de control actual (timer) como sistema de respaldo, esta redundancia en control convertirá el diseño en un sistema más robusto frente a fallas. De este análisis se obtiene información de algunas características técnicas que deberán poseer los elementos seleccionados como partes del sistema:
84
24. NECESIDADES DEL CLIENTE 24.1 COMPUTADOR DE LAS OFICINAS (PC1). 24.1.1 Características relevantes. Sistema operativo Windows XP. 24.1.2. Comunicación con otros componentes del Sistema. Puerto serial de comunicaciones RS 232, Comunicación Ethernet TCP/IP, El computador se comunica con el PLC ubicado en el segundo piso 24.2 SENSORES DEL PRIMER PISO. 24.2.1. Características relevantes. Sensores de temperatura, Temperaturas de manejo - 35° C a 45 °C, Señal de salida de 4 a 20 Ma, Trabajar en un ambiente húmedo, Alimentación 120V-220V, Sensor de puerta abierta, Trabaja a temperaturas de -20°C, Alimentación 110V-220V. 24.2.2. Comunicación con otros componentes del Sistema. La señal de salida de los sensores será llevada hasta el PLC. 24.3 EL VARIADOR DE FRECUENCIA ESTA UBICADO EN EL TERCER PISO. 24.3.1. Características relevantes. Alimentación de 220V, Funcionar en ambientes propensos a ruidos en la línea de alimentación,Funcionar en ambientes propensos interferencia magnética,Se deberá tomar en cuenta que estará expuesta a la corrosión ambiental. 24.3.2. Comunicación con otros componentes del sistema. La señal de entrada es una señal análoga que proviene del PLC.
85
24.4 EL PLC ESTA UBICADO EN EL TERCER PISO. 24.4.1. Características relevantes
Alimentación de 220V. Funcionar en ambientes propensos a ruidos en la línea de alimentación. Funcionar en ambientes propensos interferencia magnética. Se deberá tomar en cuenta que estará expuesta a la corrección Ambiental. Se Deberá poder ajustar a la caja de mando.
24.4.2. Comunicación con otros componentes del sistema
Comunicación con el PC protocolos Max 232 o Ethernet. Con el Variador una señal análoga que controla la frecuencia del variador y
una señal de si esta encendido. Con los sensores, recibe 2 señales análogas se los sensores de
temperatura y una señal on/off del sensor de puerta abierta Con el timer una señal on/off por si el Variador no enciende.
86
Sistema de monitoreo y control de la
Pesquera ASOPESPA Figura 31. Diagrama mímico sistema de monitoreo y control
87
25. SELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS Durante esta parte del proceso se llevó a cabo la selección de los dispositivos que hacen parte de nuestro diseño, estos el deben cumplir con algunas características escogidas por el equipo de diseño.
25.1 SELECCIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA:
Cuadro 16. Características de selección sensor de temperatura.
CARACTERÍSTICAS DE SELECCIÓN DE SENSOR DE TEMPERATURA
Rango de temperatura -25 a 20 °C Tolerancia + 3 °C o - 3°C Condiciones de trabajo Medir la temperatura de un cuarto frio 25.1.1 Termo resistencia con cable o bulbo
Figura 32. Termo resistencia con bulbo
Fuente: TERMOCUPLAS [en línea]; http://www.viaindustrial.com, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.viaindustrial.com/subbusqueda.asp?subbusqueda=Termocuplas
Referencia: TWRPT Longitud del bulbo: 50 mm Acero inoxidable SS304 Diámetro bulbo: 4 mm Temperatura: 450°C
88
25.1.2 Termopilas con cabezote Tubo en Acero Inoxidable PT100 Figura 33. Termo pila PT100
Fuente: TERMOCUPLAS [en línea]; http://www.viaindustrial.com, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.viaindustrial.com/subbusqueda.asp?subbusqueda=Termocuplas
Referencia: Termocuplas tipo Industrial Longitud del bulbo: 2” Diámetro: Elemento: acero Inoxidable Rango de temperatura: -200 a 290 Elemento: PT100 3hilos 25.1.3 Termopila tipo tornillo Referencia: AP161J Tipo: J Temperatura máxima: 450°C Montaje: TORNILLO Extensión: 2 mts de fibra por malla
89
Figura 34. Termopila tipo tornillo
Fuente: TERMOCUPLAS [en línea]; http://www.viaindustrial.com, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.viaindustrial.com/subbusqueda.asp?subbusqueda=Termocuplas.
25.2 SELELECCIÓN DEL VARIADOR Cuadro 17. Características de selección del variador de frecuencia
CARACTERÍSTICAS DE SELECCIÓN DEL VARIADOR DE FRECUENCIA Voltaje de alimentación 440V AC Potencia 10HP Tipo de trabajo a realizar Regulación de flujo(variación de
Velocidad) Motores a Controlar 1 Frecuencia de funcionamiento 60 HZ
90
25.2.1 Convertidor de Frecuencia WEG CFW-08 Figura 35. Convertidor de Frecuencia WEG CFW-08 Fuente: VARIABLE SPEED DRIVES [en línea]; weg.net/us, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.weg.net/us/Products-Services/Drives/Variable-Speed-Drives/Variable-Speed-Drive-CFW08-0.25hp-20hp 25 Potencia: 0,25 hasta 20 Hp. 26 Tensión de alimentación: 200-240 V, 380-480 V y 500-600 V. 27 Control V / F (escalar) o Vectorial. 28 Modulación PWM Sinusoidal. 29 Funciones de protección / sobrecarga integradas. 30 Rechazo de frecuencias críticas o resonantes (Skip Frequency). 31 Tiempos de aceleración y deceleración independientemente
parametrizables. 32 Frenado reostático. 33 Frenado CC (corriente continua). 34 Unidades para Comunicación Fieldbus: CANopen, DeviceNet y Modbus RTU
(incorporado). 35 Regulador PID. 36 Tecnología de última generación con la más nueva generación. 37 Interfaz con Teclado de Membrana Táctil (IHM estándar y remota). 38 Programación Flexible. 39 Dimensiones Compactas. 40 Instalación y Operación Simplificadas. 41 Alto Par de Arranque. 42 Auto diagnóstico de defectos y Auto reajuste.
91
43 Función Multispeed (Hasta 8 velocidades pre programadas). 44 Compensación de deslizamiento. 45 I x R manual y automático. 46 Curva V / F ajustable. 47 Rampas doble y linear tipo "S". 48 Rampas de aceleración y deceleración. 49 Selección del sentido de rotación. 50 Arranque con el motor girando (Flying Start). 51 Operación durante fallas momentáneas de la red (Ride-Through). 25.2.2. Convertidor de Frecuencia YASCAWA V1000 Figura 36. Convertidor de Frecuencia YASCAWA V1000
Fuente:Variador yascawa v1000 [en línea]; tecnoing.com, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.tecnoing.com/productos.aspx?CatId=VarYas.
Capacidad de Sobrecarga 150% Frecuencia de Salida durante 60seg. Control de lazo abierto o Cerrado. Protección IP20/NEMA1 estándar en todos los modelos. Transistor de Frenado. Función de Sobre voltaje. Mantenimiento Preventivo Indicación del tiempo de operación para el
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Mantenimiento preventivo de los ventiladores, capacitores y transistores Fácil reemplazo de ventiladores.
Certificación Global Cumple Normas CE, UL, cUL, RoHS, TUV E/S Disponibles
(7) Entradas digitales Multifunción (1) Terminal dedicada para deshabilitar los IGBTs, no programable (Parada rápida) (2) Entradas analógicas Multifunción (1) Entrada de tren de pulsos Multifunción (1) Relevador de salida de función programable (1) Salida analógica de función programable (0-10Vdc) (1) Salida de tren de pulsos
Protocolos de Comunicación RS-422/485 MODBUS 115 kbps como estándar
Comunicación Opcional: DeviceNet, EtherNet/IP,
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26. SELECCIÓN PLC
Cuadro 18. Características de selección del PLC.
CARACTERÍSTICAS DE SELECCIÓN DEL PLC
Voltaje de Alimentación 220 V AC Comunicación Computador
Variador de Frecuencia Entrada análoga para sensor Accionamiento de contactores.
Entradas análogas 1-4 Entradas digitales 3 Salidas Digitales 4
26.1 PLC SIEMENS S200 Figura 37. PLC SIEMENS S200
Fuente: PLC SIMENS S200 [en línea]; electricpartswholesale.com, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.electricpartswholesale.com/siemens/plc-s7-200.
Puerto estándar RS-485 con velocidad de transferencia de datos
comprendida entre 1,2 y 187,5 kbits/s. Protocolo PPI en calidad de bus del sistema para interconexión sin
problemas.
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Conexión a Industrial Ethernet vía módulo dedicado. Con conexión a internet mediante módulo correspondiente. S7-200 PC ACCESS, servidor OPC para simplificar la conexión a PC Amplia gama de módulos de ampliación para diferentes funciones.
26.2. PLC ALLEN BRADLEY SLC 500 Figura 38. PLC allen bradley SLC 500
Fuente:http://jwtech.co.th/allenbradley.php [en línea]; electricpartswholesale.com, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://jwtech.co.th/allenbradley.php.
Procesadores veloces y eficaces con un tamaño de memoria de hasta 64 K. Comunicaciones de Ethernet incorporadas, así como opciones para
DeviceNet, ControlNet y otras redes. Modularidad y flexibilidad que permiten desarrollar el eficaz sistema que
Requiere su aplicación comprando exactamente lo que necesita.
Capacidad de E/S discreta de alta velocidad con E/S especiales
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Capacidad de E/S análoga Capacidad de conexión para módulos termo pares Amplia gama de módulos de ampliación para diferentes funciones
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27. SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS PARA SENSAR TEMPERATURA
Los elementos encargados para medir la temperatura son los sensores de temperatura, para la selección tenemos termo resistencia con cable, Termopilas con cabezote Tubo en Acero Inoxidable y Termopila tipo tornillo. Cuadro 19. Características de selección del sensor temperatura.
27.1 Termopilas con cabezote Tubo en Acero Inoxidable PT100 Figura 39. Termopilas PT100 Fuente: Pt100: Operación e Instalación [en línea]; electroindustria, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc
CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA Importancia
(1-5) Termo resistencia con cable o bulbo
Termopilas con cabezote Tubo en Acero Inoxidable PT100
Termopila tipo tornillo
Rango de temperatura (-25 A 20)
5 5(3) 5(5) 5(2)
Tolerancia (3 A 3)
4 4(5) 4(5) 5(5)
Condiciones de trabajo (Cuarto frios)
5 5(5) 5(5) 5(0)
Total 14(13) 14(15) 15(7) Dispositivo
seleccionado x
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Según los criterios de selección indicados en la tabla 21 el sensor de temperatura PT100 es el sensor más adecuado para el diseño de este sistema, el sensor consiste en un alambre de platino y que al amentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. El incremento de la resistencia no es lineal pero si creciente y característico del platino de tal forma que mediante tablas es posible encontrar la temperatura exacta a la que corresponde. Figura 40. Conexión del sensor PT100
Fuente: Pt100: Operación e Instalación [en línea]; electroindustria, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc
Entre las propiedades de las PT100 está que no se degeneran gradualmente entregando medidas erróneas, si no que normalmente se abren con lo cual el dispositivo medidor detecta la falla y da aviso.
98
Este comportamiento es claramente una ventaja en aplicaciones de almacenamiento de alimentos ya que la medición errónea podría causar un daño grabe a los alimentos. Figura 41. Conexión del sensor PT100
Fuente: Conexión de la Pt100 [en línea]; electroindustria, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc.
Algo muy importante para la conexión del sensor PT100 es que los cables posean la misma resistencia ya que el sistema de medición se basa en el puente de wheatstone. Para la toma de la medición se hace pasar una corriente conocida atreves de los cables azul y verde con lo cual elemento mide 2Rc y luego mide la resistencia por los cables café y azul para finalmente restarle 2Rc obtener R(t).
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28. SELECCIÓN DEL ELEMENTO PARA REGULAR VELOCIDAD
Para este caso la selección se hará ente un variador WEG CFW-08 y YASCAWA V1000, Cuadro 20. Características de selección del variador de frecuencia.
CARACTERÍSTICAS DE SELECCIÓN DEL VARIADOR DE FRECUENCIA Voltaje de alimentación 440V AC Potencia 10HP Tipo de trabajo a realizar Regulación de flujo(variación de
Velocidad) Motores a Controlar 1 Frecuencia de alimentación 60 HZ Cuadro 21. Criterios selección del variador de frecuencia.
CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL VARIADOR DE FRECUENCIA Importan
cia (1-5)
WEG CFW-08 YASCAWA V1000 Voltaje de alimentación (440v) 5 5( 5) 5(5)
Potencia (10HP) 5 5(5) 5(5) Tipo de trabajo a realizar (Variador de velocidad)
5 5(5) 5(5) Motores a Controlar (controla 1 motor)
3 3(5) 5(5) Frecuencia (60HZ) 5 5(5) 5(5)
COSTO 5 5(3) 5(5) Total 28(28) 30(30)
Dispositivo seleccionado X
100
28.1 Variador de Frecuencia YASCAWA V1000 Figura 42. Variador de frecuencia Yascawa V1000 Fuente:Variador yascawa v1000 [en línea]; tecnoing.com, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.tecnoing.com/productos.aspx?CatId=VarYas. Por los criterios de selección para los variadores de frecuencia establecidos en la tabla 23 obtenemos que el variador de frecuencia seleccionado es el yascawa V1000, es un variador trifásico de 10HP, el variador está conectado al motor del compresor para aumentar o reducir la velocidad dependiendo de la señal de control enviada por el PLC. La señal enviada por el PLC al variador de frecuencia es una señal análoga en voltajes de 0 a 20mA.
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29. SELECCIÓN DEL ELEMENTOS CONROL DEL SISTEMA
Cuadro 22. Características de selección del PLC
CARACTERÍSTICAS DE SELECCIÓN DEL PLC Voltaje de Alimentación 220 V AC Comunicación Computador
Variador de Frecuencia Entrada análoga para sensor
Entradas análogas 1-4 Entradas digitales 1 Salidas Digitales 4
Cuadro 23. Selección del PLC.
SELECCIÓN DEL PLC Importancia
(1-5) SIEMENS
S200 ALLEN BRADLEY
Voltaje de Alimentación 5 5(5) 5(5) Comunicación 5 3(5) 5(5)
Entradas análogas (1-4) 5 4(5) 5(5) Entradas digitales (1) 3 3(5) 3(5) Salidas Digitales (4) 3 3(5) 3(5)
Total 18(25) 21(25) Dispositivo
seleccionado X
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29.1 PLC ALLEN BRADLEY SLC500 Figura 43. PLC allen bradley SLC500 Fuente:http://jwtech.co.th/allenbradley.php [en línea]; electricpartswholesale.com, [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://jwtech.co.th/allenbradley.php. La familia SLC 500 es ideal para aplicaciones de control dedicado. Esta línea ofrece un amplio rango de elecciones en memoria, capacidad de E/S, conjunto de instrucciones, puertos de comunicación para diseñar un sistema de control y para requerimientos exigentes. Los PLC`s compactos SLC 500 OFRECEN 20, 30 o 40 E/S digitales fijas en 24 diferentes versiones para soportar entradas de 24V dc o 120/240V ac y salidas tipo relay, triac o transistor. Los PLC’s modulares ofrecen flexibilidad en las E/S digitales en diferentes configuraciones para soportar entradas de 24V dc o 120/240V ac y salidas tipo relay, triac o transistor. Éste último fue el tipo de PLC utilizado en la elaboración del proyecto al igual que el chasis, la fuente y los módulos 1746 que serán mencionados a continuación: Los procesadores SLC 5/03, que son los que se utilizaron en el proyecto, tienen una memoria de programa de 8K ó 16K palabras. Soportan hasta 10
103
29.1.1. Módulos de E/S de la serie 1746. Los módulos de E/S 1746 presentan las siguientes características generales: • Plataforma de hardware compartida que hace conveniente la utilización de diversos módulos y permitir la expansión futura. • Combinación de entradas y salidas en el mismo modulo digital y analógico provee capacidad de expansión sin sacrificar espacio o incrementar el costo. • No es necesario desconectar el cableado para reemplazar módulos de 16 o más E/S. • Los leds indicadores visualizan el estado de E/S para facilitar la detección de fallas. • Los módulos E/S 1746 incluyen acoplamiento óptico y circuitos filtros para la reducción de la señal de ruido. • Los módulos son utilizados en diferentes densidades (máximo de 32 E/S por modulo), para mayor flexibilidad y resguardar los costos. • Variedad de rangos de interfaces de señal para sensores/actuadores en ac y dc para una amplia variedad de aplicaciones. 29.1.2. Módulos Analógicos. Una E/S analógica es un circuito en el que la señal puede variar continuamente entre límites especificados. El modulo convierte señales analógicas de entrada en valores binarios de 16 bits que se almacenan en la tabla de imagen de entrada del procesador SLC. El rango decimal, el número de bits significativos y la resolución del convertidor dependen del rango de entrada que utilice para el canal. Los módulos analógicos utilizados en el proyecto son. 29.1.3. Comunicación entre el plc y hmi pc. La comunicación entre el PLC y en pc puede ser tanto por el puerto RS232 como por el puerto de Ethernet, la HMI son diseñadas en el editor visual RSview. 29.1.4 Software de programación RSLogix 500. El software RSLogix 500 se utilizó para programar el controlador SLC 500 El software carga totalmente la lógica del programa, inclusive los nombres de tags, directamente de un controlador. Esto simplifica el mantenimiento porque siempre se puede obtener la fuente original directamente del controlador. La Programación en el software se realiza en formato ladder (lógica de escalera) La pantalla principal del software se muestra a continuación.
104
Figura 44. Interfax grafica RSLogix 500 El árbol del proyecto contiene los archivos y carpetas creados en el proyecto y las diferentes rutina de ladder programadas. El panel de resultados muestra los errores de programación que se han cometido cuando se valida el proyecto. La barra de menús y la barra de iconos permiten realizar funciones propias del programa como guardar, cerrar, ayuda. La barra de estado del procesador es la usada para verificar el estado del Plc, y además cargar y descargar el programa específico. En la barra de instrucciones se encuentran las instrucciones más habituales de la programación en Ladder. De acuerdo con las anteriores aclaraciones, el programa desarrollado para el proyecto consiste en 10 rutinas de programación tipo Ladder.
105
29.1.5. Diagrama de flujo. El diagrama de flujo del programa instalado en el PLC del sistema de monitoreo y control. Figura 45. Diagrama de flujo
START
VARIADOR
ESTA
CONECTADO
CONECTAR TIMER NO
SI
EJECUTAR
ACCIONES DE
CONTROL
SENSOR DE
TEMPERATURA
CONECTADO CONECTAR TIMER
NO
SI
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30 ESPECIFICACINES TECNICAS FINALES
Después de realizar la selección de cada uno de los diferentes dispositivos en cada uno de los conceptos del sistema de monitoreo y de control cuartos fríos, se presentan las siguientes especificaciones técnicas. Transmisión de la señal del sensor a el PLC: 4 a 20 miliamperios Protocolos de comunicación entre PC y PLC: serial o Ethernet Ahorro energético: 25%- 50% Tiempo de puesta en marcha: 8 horas Modo de operación: Manual y automático Tipos de interfaz en planta: Termómetro de cuadrante. Tipo de interfaz en oficinas: HMI PC sistema operativo windows XP Alarmas de procesos: Software y físicas Normas: Programación (EIC), Eléctrica(RETIE) Rangos de temperaturas: -25°C Y 25°C Entradas digitales Entradas análogas 2 Salidas análogas 2 Salidas digitales 4 30.1 VISUALIZADORES DE TEMPERATURA CUARTO FRIO Se utiliza un termómetro de cuadrante, el termómetro se encuentra instalado en la plata en cada uno de los cuartos fríos. Figura 46. Termómetro de cuadrante Fuente:http: Termometros ,ar [en línea]; diamoresa s.a. , [Consultado 10 septiembre de 2012].disponible en internet: http://www.diamoresa.com.ar/ Termometros.html http://www.diamoresa.com.ar/ Termometros.html
107
30.2 VISUALIZADORES DE PROCESO PLANTA DE PROCESO Este fue omitido del sistema por considerar que no es necesario para realizar las tareas destinadas. 30.3 VISUALIZADOR DE PROCESOS EN LAS OFICINAS En esta parte del diseño no utilizáramos procesos para selección por que el dispositivo de visualización en las oficinas, es una de las necesidades del cliente, esta necesidad es poder observar los valores de temperatura en los computadores ya existentes en las oficina.
108
31. DIAGRAMA MIMICO DEL SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL
En este diagrama representa los diferentes dispositivos, interfaces de comunicación, voltajes de alimentación otras características técnicas del sistema. Figura 47. Diagrama mímico sistema de monitoreo y control
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32. ANALISIS DE AHORRO
El sistema de monitoreo y control flexibiliza los trabajos relacionado con el cuarto frio, esta flexibilidad influyen directamente en el consumo de energía disminuyendo cobros en la factura de energía. 32.1 Ahorro en potencia reactiva Mejora el factor de potencia, El factor de potencia de un circuito de corriente alterna puede definirse como la relación entre la potencia activa, P, y la potencia aparente, S, si las corrientes y tensiones son ondas perfectamente sinusoidales. Figura 48: Diagrama de Variador de frecuencia con PWM. Fuente: es.wikipedia.org [en línea]; Variador de frecuencia., [Consultado 04 septiembre de 2012].disponible en internet: Zttp://es.wikipedia.org/wiki/ Variador_de_frecuencia Suponiendo que las corrientes y tensiones son ondas perfectamente senoidales, el factor de potencia será igual a cosφ, como el coseno del ángulo que forman los fasores de la corriente y la tensión, es designado en este caso como cosφ, siendo φ el valor de dicho ángulo. Por lo que. Cosφ = P/S Donde: Cosφ = factor de potencia P = potencia activa en W S = potencia aparente en VA
110
Ignorando la matemática fundamental del fenómeno en la práctica, el punto es que para un circuito comercial típico alto en inductancia, la planta debe suplir algo de potencia que no hace trabajo y el cual no se mide en el vatímetro normal, privando así a la compañía de ganancias. Si, por ejemplo los cálculos de los voltios y amperios medidos dan 2 000 vatios, pero el aparato sobre la línea realmente muestra un consumo de 1600 vatios el factor de potencia es de: f.p. =1 600/2 000 = 0,8. Esto significa que el 80% de la potencia suplida está haciendo trabajo medible. El restante 20% es corriente de magnetización, la cual hace posible el funcionamiento de los aparatos de inducción que no hacen trabajo en sí mismos. -Par motor= Kω²+J( dω/dt )+Perdidas En la ecuación vemos que si el tiempo de arranque aumenta el par motor disminuye. En la ecuación podemos ver que si la ω disminuye el Par motor disminuye. 32.2 Ahorro durante su funcionamiento Potencia Mecánica = Fuerza x Velocidad K X Potencia Mecánica = K x Potencia Eléctrica 32.3 Costo de la implementación En esta parte del desarrollo ya se ha seleccionado los diferentes componentes del sistema, por consiguiente se procede a cotizar los precios y a determinar el costo de la implementación.
111
Cuadro 24. Partes seleccionadas y costo de la implementación.
COSTOS DE LA IMPLEMENTACION
PLC AB SL500 260000
VARIADOR YASCAWA V1000 870000
SENSOR PT100 189053
35mts CABLE PARA TERMOCUPLA 122500
MODULO ANALOGICO 200000
MODULO DIGITAL 200000
BOTON ROJO 4500
BOTON VERDE 4500
MANO DE OBRA 900000
TOTAL 2750553 El costo de la implementación es $2.750.553 en esta cotización no se incluyen algunas partes nombradas en el diseño ya que estas partes pueden ser opcionales y ya se encuentran instaladas en la planta.
112
33. DISEÑO DEL CONTROLADOR PID
33.1 RECONOCIMIENTO DE ESTADO DE LA PLANTA. Para este caso de estudio la planta es un cuarto frio ubicado en la ciudad de Buenaventura y pertenece a la pesquera ASOPESPA, el cuarto frio tiene estas características. Tiene unas dimensiones de Un compresor marca Copelan de 10HP Utiliza refrigerante. Condensador. 33.2 RESPUESTA DEL CUARTO FRIO ANTE UNA ENTRADA ESCALON Figura 49. Repuesta del sistema a una entrada escalón. En este grafico se puede observar el estado de la temperatura con respecto al tiempo una vez que se le aplica una entrada escalón, para este caso la entrada escalón son 220v a 60Hz de la red eléctrica.
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34. ODTENCION DE LA FUNCION DE TRANSFERENCIA DE LA PLATA
Mp= Máximo pico Mp = -24,5 ᵹ=0,7797 ts=7h 46Seg ts=28000 seg = 5τ 5τ=5/( ᵹ*Wn) 5/ (ᵹ*Wn)=28800seg Wn=0,0002226 Función de transferencia del cuarto frio F(s)=Wn ^2/(S^2+2*ᵹ*Wn*S+Wn^2)
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35. CONTROL PID
El control proporcional que actúa sobre el tamaño del error El control integral que rige el tiempo para corregir el error
35.1 DISEÑO DEL CONTROLADOR PID Los valores de cada uno de los componentes del controlador fueron obtenidos mediante el uso del módulo PID y de la función tune, tune es una función sintoniza un controlador para la función de transferencia de la planta. Figura 50. Pruebas con simulink El principal interés en el en diseño del controlador es poder establecer temperaturas de -18C° a -24C°.
115
Figura 51. Funcion block parameters PID Obtenemos que: Kp = 2,11002519179356 Ki = 0,000315031216896017 Kd = 2562,51005691407 35.2 EFECTOS DEL CONTROLADOR SOBRE EL SISTEMA En el siguiente grafico se pueden observar los efectos del controlador sobre la planta, aquí se puede observar que el sistema se estabiliza en 3 horas aproximadamente y que la temperatura deseada es alcanzada en menos tiempo del que se alcanza cuando no se utiliza un controlador PID.
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Figura 52. Respuesta entrada escalón
Los valores obtenidos durante los procedimientos anteriormente mencionados son ingresados en la programación del PLC donde son ejecutadas las acciones de control.
117
36. DISEÑO DE LA INTERFAZ GRAFICA DE USUARIO Figura 53. Interfaz gráfica principal software de monitoreo
En esta pantalla encontramos la opción para ingresar a manejo del sistema de refrigeración.
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36.1 PLANTILLA PARA MENEJO DE CUARTOS FRIOS
Figura 54. Interfaz gráfica para manejo de cuarto frio
En esta interfaz gráfica se observa información acerca de la temperatura del cuarto frio, en la primera columna dice el cuarto frío al cual se hacer referencia, la siguiente columna encontramos una descripción de la función del cuarto frio, en la columna 3 está el valor de la temperatura a la cual se desea mantener el cuarto frio, en la columna 4 podemos observar el valor de temperatura en tiempo real, la columna 5 pinchando el botón podemos ver un histórico del comportamiento de la temperatura del cuarto frio y en la columna 6 nos muestra las alarmas generadas en un determinado tiempo.
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36.2 PLANTILLA DE HISTOGRAMA DE LAS TEMPERATURAS
Figura 55. Interfaz gráfica con histogramas
En esta interfaz podemos observar una imagen del comportamiento durante un tiempo de la temperatura del cuarto frio.
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36.3 REPORTES DIARIOS GENERADOS POR LA APLICACIÓN Figura 56. Archivos de Excel creados por la aplicación
El programa genera reportes cada 10 minutos los cuales son almacenados en archivos de Excel, los archivos son creado de a uno por día. Estos informes son de gran utilidad para las toma de decisiones para llevar a cabo los planes de control de calidad, HACCP.
121
36.4 PLANTILLA DE ANIMADA DEL CUARTO FRIO Figura 57. Interfaz gráfica animada
Son llamadas unidades condensadoras, porque el compresor está unido al condensador, los evaporadores están ubicados en la cava, cada uno con 6 ventiladores.
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37. RSLINX COMUNICATIONS SERVICE El RSLinx es el software que permitió configurar y supervisar la(s) red(es) de Comunicación(es) en la(s) que se encuentra conectado el autómata o PLC. Este servicio (servidor – cliente) es el que utiliza el software RSLogix 500 para Comunicarse con el PLC a través del puerto RS232 o Ethernet. En el proyecto se trabajó con una comunicación RS-232. SLC500, SLC 5/03, SLC 5/04, y SLC 5/05. La siguiente figura muestra cómo se selecciona el tipo de comunicación a utilizar, de igual forma muestra cómo el software reconoce o no al PLC según lasCaracterísticas especificadas en la configuración: Figura 58. Interfaz gráfica RSLinx
123
38. TABLA DE ALARMAS
Cuadro 25. Tabla de alarmas
N° ITEN Descripción
001 Cambio a control automático
El sistema de monitoreo y control está funcionando con el PLC
002 Cambio a control manual
El sistema de monitoreo y control está funcionando con el TIMER
003 Sensor de temperatura off
El señor de temperatura esta fuera de servicio
004 Sensor de temperatura on
El sensor de temperatura está en servicio
005 Variador off El variador de frecuencia esta fuera de servicio
006 Variador on El variador de frecuencia está en servicio
007 comunicación PLC off No hay comunicación con el PLC
008 comunicación PLC on Comunicación con el PLC establecida
009 Temperatura alta Valor de tempera mayor al setpoint
010 Temperatura baja Valor de temperatura inferior al setpoint
011 Temperatura muy alta Temperatura muy superior al setpoint
012 Temperatura muy baja Temperatura muy debajo del setpoint
O13 Inicio del sistema OK Inicio del sistema en correcto funcionamiento
014 Cierre del sistema Hora en que se cerró el sistema
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39. CONCLUCIONES
Mediante el estudio del sistema de refrigeración y de sus partes, fue posible identificar los componentes, subsistemas y variables que intervienen en el sistema. Mediante el aplicar los diferentes pasos del método de diseño concurrente se pudo seleccionar las tecnologías necesarias que conforman el sistema de monitoreo y control. Teniendo en cuenta las diferentes características del sistemas de cuarto fríos y de la planta de ASOPESPA se seleccionaron los protocolos de comunicaciones a utilizar en el sistema de monitoreo y control. Se diseñó el sistema control el cual consta de un PLC SCL500 ALLAN BRALEY, una termocupla PT100 y se implementó un controlador PID en el controlador. Utilizando la herramienta RSview se implementó una interfaz gráfica para PC con S.O. Windows XP.
125
BIBLIOGRAFÍA
APUNTES DE CLASE de profesor Arnaldo Mendez, profesor del curso de “diseño mecatrónico” de la universidad autónoma de Cali, año 2002 APUNTES DE CLASE de profesor Jimmy Tombe , profesor del curso de “Control ” de la universidad autónoma de Cali, año 2002 Automatización de procesos industriales Emilio García moreno Alfa Omega Control automático de procesos Carlos a smith Armando b Corripio Editorial Limusa Diccionario de informática Antola-Mezzalira, Negrini-Scarabottolo Editorial Grijalbol El ABC del de la Automatización [en linea] [consultado 01 de diciembre 2013] disponible en internet. www.aie.cl Guía metodológica para el uso eficiente de la energía en el subsector floricultor Cámara y comercia Bogotá Historia de La refrigeración [en línea] [consultado 08 de septiembre 2013] disponibles en internet. http://www.Monografias.com La era del hielo [en linea] [consultado 01 de septiembre 2013] disponible en internet. http://www.revistadelogistica.com/n6_erahielo.asp Manual de refrigeración Copeland Copeland Manual técnico De La Refrigeración Comercial Programa de eficiencia energética regional en los sectores industrial y comercial en centro américa.
126
Supervisión y Control de Cuartos Fríos con Alternativas de Optimización Energética Ingeniero Hugo Castellanos Universidad de San Carlos de Guatemala National Instrumen Sistemas Automáticos de Control Benjamin C. kuo 2da Edición Tratado practico de refrigeración automática ediccion12 José Alarcón creus Alfa Omega Wikipedia: la enciclopedia libre [en línea], florida: Wikipedia foundation,2006[Consultado 01 septiembre de 2012 ].disponible en internet http://www.wikipedia.org
127
ANEXOS
Anexo A Diagrama de comunicación Sistema de monitoreo y control
Computador con XP y software
HMI
Frecuencia o señal on/off
Eternet/rs232/rs485
4 a 20 mA
4 a 20 mA
Señal Análoga y señal
on/off
ña
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Anexo B. Diagrama de mando del sistema de monitoreo
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DIAGRAMA DE POTENCIA Anexo C. Diagrama de potencia del sistema de monitoreo
Linia Comunicación entre Protocolo Información PC y el PLC Ethernet / Rs
232 Comunicación bidireccional- datos acerca de la temperatura del cuarto frio y el Setpoint.
PLC y el Variador de frecuencia
4 a 20mA y on/off
Señal de control (regulada por PID), Indica al PLC la presencia del PLC.
PLC y TIMER On / off Indica al PLC la presencia del TIMER PLC y contactor C2 Herz Voltaje de alimentación del
compresor utilizada como Señal de control en frecuencia.
Timer y contactor C5 On/off Interrumpe o permite alimentar el compresor
C5, C2 y compresor Voltaje Alimenta el compresor
130
Anexo D. Simbología utilizada en el plano El totalizador:
Controla el flujo de corriente al sistema de control. PLC:
Almacena y Ejecuta las acciones de control, supervisión y administra la información. Variador de frecuencia:
Convierte la frecuencia de 60Hz a otras frecuencias y de esta manera variar la velocidad del compresor. Contactores:
Realizan las acciones de suicheo y de conmutación del sistema. Compresor:
Es el actuador controlar, la idea es causar cambios en la velocidad del compresor porque así afecta directamente proporcional la temperatura del cuarto frio Timer:
131
Es utilizado como dispositivo de control auxiliar, este permite o interrumpe el paso de la corriente para apagar o encender el compresor cada cierto tiempo predeterminado. Anexo E. Programa ladder
El programa encargado de tomar decisiones y realizar las acciones de control, se realiza en lenguaje ladder.
Un programa en Ladder / diagrama de relés (L.D.) es una serie de redes o ramas de circuito. (master universitario en automatización de procesos industriales, universidad de alcala,p2,2011)
Una rama (network) está compuesta de una serie de contactos, Conectados
en serie o en paralelo, que dan origen a una salida (Activación de una bobina o de una función especial).
Programa: El programa es realizado en el software RSLogix 500 que es el editor de ladder para los PLC ALLEN BRADLEY.
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Anexo F Módulo de entradas/salidas digitales (1769-IQ6X0W4) El módulo 1769-IQ6X0W4 trabaja únicamente con entradas/salidas digitales con una capacidad para 6 entradas, 4 salidas, una entrada para la alimentación del módulo de 24 V DC y una entrada para el común de voltaje de DC. Estas características se muestran en la figura 2.3. El diagrama de conexiones a este módulo se muestra en la figura 2.4.
Módulo de entradas/salidas digitales 1769-IQ6X0W4.
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Anexo G Módulo de entradas/salidas analógicas (IF69-IFX0F2) El módulo IF69-IFX0F2 trabaja únicamente con entradas/salidas analógicas con una capacidad de entrada para conectar 4 transmisores de diferencia de potencial o 4 transmisores de voltaje o 4 transmisores de corriente, el módulo IF69-IFX0F2 cuenta con una capacidad de salida para conectar 2 salidas de voltaje y 2 salidas de corriente como se muestra en la figura.
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El diagrama de conexiones a este módulo se muestra en la figura siguiente
Módulo de entradas/salidas analógicas IF69-IFX0F2.
Anexo H cableado del circuito principal y de control yascawa V1000.
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Anexo I Entorno de la instalación del variador yascawa V1000
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Anexo J Manual de funcionamiento del programa.
MANUAL DE FUNCIONAMIENTO
INICIAR EL MENU PRINCIPAL.
1. Dar doble click sobre el icono asopespa el cual se encuentra en el escritorio, esto abre la ventana principal del programa.
La ventana principal de la aplicación muestra 2 opciones: Manejo del cuarto frio y salir el dar click sobre la Opción manejo de cuarto frio inicia ventanas donde podemos controlar y monitorear el cuarto frio. La opción salir cierra el software.
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VENTANA DE MONITOREO Y CONTROL Dar click sobre el botón esto inicia las ventana con los controles del cuarto frio. En esta ventana se pueden encontrar las diferentes opciones que permiten controlar y monitorear el cuarto frio. 1. Casilla cuarto frío.
Estas casillas describen la tarea realizada por el cuarto frio.
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2. Casilla descripción. Estas casilla describe el tipo de materia que se almacena en el cuarto frio. 3. Casilla temperatura de trabajo.
En estas casillas se ingresa el valor de temperatura deseada. 4. Casilla temperatura actual.
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En estas casillas se puede observar el valor actual del cuarto frio.
5. Casilla ver históricos
En esta casilla se encuentran bonotes que al dar click sobre ellos muestran la ventana histogramas. 6. Casilla ver alarmas
En esta casilla se encuentran bonotes que al dar click sobre ellos muestran las alarmas que se han generado.
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7. Botón menú principal 9. Dar click sobre el botón esto abre la ventana principal del programa. 8. Dar click sobre el botón abre una ventana donde se puede
escribir alguna eventualidad sucedida.
9. Dar click sobre el botón se habilita la casilla temperatura de trabajo.
10. Dar click sobre el botón que guarda la temperatura de trabajo.
11. Dar click sobre el botón cierra el software.
VENTANA DE HISTOGRAMA.
1. Dar click sobre el botón de las casillas ver historico Abre la ventana históricos donde se observan un historial de las temperaturas.
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