SUPERVISIÓN, CONTROL Y SIMULACIÓN DE UN PROCESO DE ...

TRABAJO FINAL DE GRADO

Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática

SUPERVISIÓN, CONTROL Y SIMULACIÓN DE UN PROCESO

DE GENERACIÓN DE ENERGÍA

Volumen I

Memoria

Autor: David Albert Rodríguez Gallardo Director: Javier Francisco Gámiz Caro Convocatoria: Octubre 2018

Supervisión, Control y Simulación de un Proceso de Generación de Energía

i

Resum

Avui dia no es concep que cap procés industrial no estigui automatitzat i menys en un on es generi

energia elèctrica ja que la eficiència energètica es molt important. Per això, el control i la supervisió

sobre la planta son crucials per el bon funcionament i gestió d’aquesta.

En el present projecte es descriu el disseny per a la supervisió, control i simulació per a un procés de

generació d’energia elèctrica. Aquest procés es basa en una central elèctrica de Biomassa, la qual

utilitza combustible orgànic, anomenat Biomassa. Aquest combustible es pot obtenir en multitud de

formes, i es crema en una caldera per produir vapor d’aigua. Amb aquest vapor sobreescalfat, fen-li

passar per unes turbines, aconseguim la producció d’energia elèctrica. Després aquest es condensa i

torna al seu estat líquid per tornar a repetir el procés.

Per a l’automatització d’aquest procés s’ha utilitzat com a sistema de control un programa de PLC

(Controlador Lògic Programable) del fabricant Allen-Bradley i Rockwell Automation i per a la supervisió,

un sistema SCADA (Supervisió, Control i Adquisició de Dades) de la marca Wonderware InTouch. El

comportament de la planta s’ha simulat a través d’un programa embegut dins del propi PLC.

Memoria

ii

Resumen

Hoy en día no se concibe que ningún proceso industrial no esté automatizado y menos en uno dónde

se genera energía eléctrica ya que la eficiencia energética es muy importante. Por ello, el control y la

supervisión sobre la planta son cruciales para un buen funcionamiento y gestión de ésta.

En el presente proyecto se describe el diseño para la supervisión, control y simulación para un proceso

de generación de energía eléctrica. Dicho proceso se basa en una central eléctrica de Biomasa, la cual

utiliza combustible orgánico, llamado Biomasa. Este combustible se puede obtener en multitud de

formas, y se quema en una caldera para producir vapor de agua. Con este vapor sobrecalentado,

haciéndolo pasar por unas turbinas, conseguimos la producción de energía eléctrica. Después éste se

condensa y vuelve a su estado líquido para repetir el proceso.

Para la automatización de este proceso se ha utilizado como sistema de control un programa de PLC

(Controlador Lógico Programable) del fabricante Allen-Bradley y Rockwell Automation y para la

supervisión, un sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) de la marca Wonderware

InTouch. El comportamiento de la planta se ha simulado a través de un programa embebido dentro

del propio PLC.


iii

Abstract

Nowadays, it not conceived that any industrial process is not automated and less in one in which

electricity is generated since energy efficiency is very important. Therefore, the control and supervision

of the plant is crucial for a good operation and management of the same.

In the present project it is described the design for the supervision, control and simulation for an

electric power generation process. Such process is based on a Biomass power plant, which uses organic

fuel, called Biomass. This fuel can be obtained in a many of ways, and it is burned in a boiler to produce

water vapor. With this superheated steam, passing it through turbines, we achieve the electrical

energy production. Then it is condensed and it returns to its liquid state to repeat the process.

For the automation of this process it has been used, a PLC program (Programmable Logic Controller)

by the manufacturer Allen-Bradley and Rockwell Automation as a control system and for the

supervision, a SCADA system (Supervision, Control and Data Acquisition) of the brand Wonderware

InTouch. The behavior of the plant has been simulated through an embedded program inside the PLC

itself.

Memoria

iv


v

Agradecimientos

Agradecer a mi familia y amigos el apoyo y los ánimos para seguir adelante con el Grado y el proyecto.

También al director de este proyecto, Javier Francisco Gámiz Caro, por la ayuda prestada en la

realización de este proyecto.

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Glosario SICI: Sistemes d’Informació i Comunicació Industrial ISA: Integració de Sistemes Automàtics SCADA: Supervision Control and Data Acquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) HMI: Human Machine Interface (Interfaz Humano-Maquina) PLC: Programmable Logic Controller (Controlador Lógico Programable)

P&ID: Piping and Instrumentation Diagram (Diagrama de tuberías e instrumentación) PID: Controlador Proporcional, Integral y Derivativo GRAFCET: Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition (Gráfico Funcional de Control Etapa-Transición) Tag: Etiqueta con la que se identifican las variables TIT: Transmisor Indicador de Temperatura PIT: Transmisor Indicador de Presión LIT: Transmisor Indicador de Nivel FCV: Válvula de Control de flujo CC: Compresor Centrífugo V: Válvula Todo/Nada BC: Bomba Centrífuga T: Turbina G: Generador

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Índice

RESUM ______________________________________________________________ I

RESUMEN __________________________________________________________ II

ABSTRACT __________________________________________________________ III

AGRADECIMIENTOS __________________________________________________ V

GLOSARIO _________________________________________________________ VII

1. PREFACIO _____________________________________________________ 11

1.2. Origen del trabajo .................................................................................................. 11

1.3. Requisitos previos .................................................................................................. 11

2. INTRODUCCIÓN ________________________________________________ 12

2.1. Objetivos del trabajo .............................................................................................. 12

2.1.1. Objetivos secundarios .......................................................................................... 12

2.2. Motivación ............................................................................................................. 13

2.3. Justificación ............................................................................................................ 13

2.4. Alcance del trabajo ................................................................................................ 14

2.5. Antecedentes ......................................................................................................... 14

2.6. Estructura de la Memoria ...................................................................................... 15

3. ANÁLISIS DEL PROBLEMA ________________________________________ 16

3.1. Descripción del Proceso a Automatizar ................................................................. 16

3.1.1. Fases del proceso a Automatizar ......................................................................... 16

3.1.2. Química del Proceso ............................................................................................. 19

3.1.3. Modelo del Proceso .............................................................................................. 26

3.2. Sistema de Control ................................................................................................. 27

3.2.1. Equipos ................................................................................................................. 28

3.2.2. Fases del Proceso ................................................................................................. 30

3.2.3. Lazos de Control ................................................................................................... 33

3.3. Requisitos Funcionales ........................................................................................... 34

3.4. Requisitos de Diseño .............................................................................................. 35

3.5. Metodología de Desarrollo .................................................................................... 36

3.6. Planificación de las tareas ...................................................................................... 36

3.7. Recursos ................................................................................................................. 39


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4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA SOLUCIÓN _______________________ 40

4.1. Arquitectura del Sistema de Control ..................................................................... 40

4.1.1. Hardware del Sistema .......................................................................................... 40

4.1.2. Software del Sistema ............................................................................................ 40

4.1.3. Vista Global de las Comunicaciones ..................................................................... 40

4.1.4. Comunicaciones SCADA-Controlador-Proceso .................................................... 44

4.2. Simulación del Proceso .......................................................................................... 46

4.2.1. Bloques del Sistema.............................................................................................. 46

4.2.2. Estructura de Simulación ...................................................................................... 47

4.2.3. Diseño del Código embebido ............................................................................... 49

4.3. Descomposición del Problema de Control ............................................................ 52

4.4. Codificación de los Elementos y Sistemas ............................................................. 52

4.5. Definición del fichero de Intercambio Controlador-Scada ................................... 53

4.6. Programa del Controlador ..................................................................................... 64

4.6.1. Estructura del Programa....................................................................................... 64

4.6.2. Definición de los Tipos de Datos .......................................................................... 65

4.6.3. Lógica de Control de los Elementos ..................................................................... 67

4.6.4. Lógica de Control de los Sistemas ........................................................................ 72

4.6.5. Secuencia de Control ............................................................................................ 73

4.6.6. Regulaciones PID .................................................................................................. 75

4.7. Programa del Software SCADA .............................................................................. 78

4.7.1. Árbol de Navegación ............................................................................................ 78

4.7.2. Definición de los Tipos de Datos .......................................................................... 79

4.7.3. Diseño de las Pantallas de la Aplicación ............................................................... 81

4.7.4. Diseño de los Comandos ...................................................................................... 89

4.7.5. Scripts ................................................................................................................... 92

4.7.6. Diseño de la Interfaz de Alarmas del Sistema ...................................................... 94

4.7.7. Gestión de Usuarios ............................................................................................. 95

4.7.8. Gráficos históricos y tendencias ........................................................................... 99

5. PRUEBAS Y RESULTADOS ________________________________________ 101

5.1. Diseño de las pruebas de Entradas y Salidas físicas ............................................ 101

5.2. Diseño de las pruebas de Funcionalidad ............................................................. 101

5.3. Diseño de las pruebas entre Controlador y SCADA ............................................. 102

6. NORMATIVA __________________________________________________ 103

6.1. Codificación e Identificación ................................................................................ 103

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x

6.2. Implementación del Programa del PLC ............................................................... 103

6.3. Programación del SCADA ..................................................................................... 103

7. ANÁLISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL ______________________________ 104

CONCLUSIONES ____________________________________________________ 105

ANÁLISIS ECONÓMICO ______________________________________________ 106

Desglose de los costes ................................................................................................... 106

8. BIBLIOGRAFÍA _________________________________________________ 107


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1. Prefacio

1.2. Origen del trabajo

El proyecto surgió de una intención de hacer un TFG (Trabajo Final de Grado) sobre automática. Me

puse en contacto con el director de este proyecto para explicarle mis intenciones pero sin nada claro.

Después de la reunión salió un tema, automatizar una planta de generación de energía eléctrica

renovable. El director me advirtió de la complejidad de este tipo de plantas de generación de energía.

Pero al final, de entre todas las posibles opciones me decanté por la de automatizar una planta de

biomasa, descartando las demás por demasiado complejas para un proyecto de una persona y

pudiendo adaptar el proyecto elegido a estas necesidades.

1.3. Requisitos previos

Los requisitos previos a la realización de este proyecto han sido los conocimientos adquiridos en el

transcurso de la carrera sobre programación en ladder para PLC (Controlador Lógico Programable) y

en especial en la asignatura optativa “Integració de Sistemes Automàtics” (ISA) y los conocimientos en

sistemas SCADA adquiridos en la asignatura obligatoria “Sistemes d’Informació i Comunicació

Industrial” (SICI). El resto de conocimientos sobre el funcionamiento de las plantas de generación de

energía eléctrica y en especial las basadas en la combustión de biomasa se han conseguido con la

búsqueda de información en diversos soportes, haciendo que esta búsqueda sea una parte importante

para la realización de este proyecto.

Memoria

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2. Introducción

En este apartado se introduce los objetivos de desarrollo marcados, la motivación por la cual se eligió

y su justificación. También se expone el alcance del trabajo, los antecedentes y la estructura de esta

memoria.

2.1. Objetivos del trabajo

El objetivo general de este TFG (Trabajo Final de Grado) es plasmar todos los conocimientos

acumulados a lo largo de estos años cursando el Grado de Ingeniería Electrónica y Automática en un

proyecto de automatización lo más aproximado a uno que se pudiera hacer en la vida real en

cualquiera ingeniería de procesos automáticos industriales.

En concreto para este proyecto, se simulará el control y la supervisión de una planta de generación de

energía eléctrica mediante la combustión de biomasa. La simulación del control y el comportamiento

de la planta se harán programando mediante lenguaje Ladder (escalera). Esta programación se

realizará embebida dentro del PLC.

La supervisión se conseguirá diseñando un sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de

Datos) desde donde se pueda controlar los elementos y el funcionamiento del sistema de la planta y

obtener información de todos estos.

Para conseguir que la programación del PLC y el sistema SCADA funcione como en una planta real se

tendrá que generar una conexión de manera virtual con un software específico para ello.

2.1.1. Objetivos secundarios

La búsqueda de información sobre la generación de energía eléctrica a través de Biomasa. Esta

información es muy importante porque es donde se aprenderá el comportamiento de los elementos y

los sistemas que conformarán la planta. Por este motivo, es muy importante saber encontrar fuentes

fiables de donde sacar dicha información.

Otro objetivo secundario sería dar respuesta a la empresa que quisiera aprovechar para ahorrar en su

consumo eléctrico ayudándola a automatizar el proceso de la generación de energía mediante la

combustión de biomasa. Sobretodo aquella que genere un subproducto o residuo orgánico que pueda

utilizarlo dándole valor como combustible y autoabasteciéndose, beneficiarse de la generación de

energía.


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2.2. Motivación

La principal motivación por la cual he decido hacer este TFG es el gran interés en todo lo relacionado

con la electrónica y la automática. Por eso ya en su día decidí cursar el Grado en Ingeniería Electrónica

y Automática. A lo largo de todo el grado he visto cosas muy interesantes pero no ha sido hasta llegar

a la especialización dentro del grado donde en asignaturas como “Sistemes d’Informació i Comunicació

Industrial” (SICI) o “Integració de Sistemes Automàtics” (ISA), donde se profundiza en la programación

en PLC y sistemas SCADA a nivel industrial, me han hecho decantarme por la automática y tomar la

decisión de realizar el TFG sobre este tema.

Otra motivación es mi gran pasión por las energías renovables. Un tema que cada vez va adquiriendo

más relevancia, la importancia de su aplicación como fuente de generación de energía en sus diversas

formas, ya sea solar, eólica o en este caso Biomasa.

Pude cursar la asignatura “Canvi Climàtic: Ciència, Energia, Economia, Política i Futur” donde

detallaban la problemática del cambio climático, las emisiones de CO2 y la relación con el estilo de vida

actual de los países desarrollados y algunos en desarrollo, la importancia de la economía y la política

para encontrar soluciones. El futuro está en la implantación de este tipo de renovables como fuente

principal de obtener energía u otras que están por encontrar un funcionamiento viable, como la

energía de fusión, para conseguir una reducción en las emisiones de efecto invernadero.

2.3. Justificación

Dadas mis motivaciones sobre los ámbitos de la automatización y las energías renovables tenía claro

que quería buscar un tema para realizar el TFG en el que pudiese juntar esos dos temas.

La automatización es una manera de aumentar la productividad siendo más eficiente y ahorrando

gastos en el sector de la industria. Es una manera de trabajar que ya está consolidada y cada vez abarca

más sectores, una apuesta de futuro. Como la producción de energía eléctrica mediante métodos

renovables. La unión de estos dos ámbitos asegura que este TFG sea actual y basado en tecnologías

que son y serán el futuro próximo de la industria.

A la hora de la elección del trabajo, me basé en todo lo descrito anteriormente y buscando un proceso

que se pudiese automatizar en el ámbito de las renovables encontré el de una central de generación

de energía eléctrica a través de biomasa, donde existen elementos de control bien diferenciados, un

sistema de varias etapas y un proceso por el cual se crea energía. Adaptándolo a las necesidades del

TFG, con la ayuda del director de proyecto, fue la elección a realizar.

Memoria

14

2.4. Alcance del trabajo

El alcance de este trabajo consiste en cumplir los objetivos propuestos en el apartado anterior. Para

ello lo primero es tener claro el proceso a automatizar buscando la mayor información para tener una

idea sobre la química del proceso. Una vez hecho esto, realizar un diagrama PI&D donde se

identifiquen los lazos de control, las diferentes partes del proceso y la interacción entre los diferentes

dispositivos.

Para poder simular el comportamiento de la planta se programa la lógica del proceso lo más parecido

a la realidad posible. Esta programación se realiza en lenguaje ladder en un PLC, donde se implementa

las acciones y los estados de los dispositivos y también las etapas de los procesos que intervienen en

la planta.

La configuración de la comunicación entre la programación del PLC y la del sistema SCADA se realiza a

través del estándar de comunicación de Microsoft DDE (Dynamic Data Exchange).

Por último, se realiza la aplicación SCADA que respetando la normativa, cumpla las necesidades de

gestión de la planta. Incluyendo ventanas de control individual de los dispositivos, sinóptico del

proceso, control del proceso, etc.

2.5. Antecedentes

Desde la antigüedad la biomasa, en forma de troncos, ramas o arbustos fueron los primeros

combustibles que sirvieron para calentar al hombre, cocinar alimentos, ahuyentar a los animales o

iluminar su camino. Desde entonces esa dependencia a la biomasa ha durado hasta la mitad del siglo

XIX cuando fue sustituida por el carbón y más tarde por el petróleo.

Muchas de aquellas formas de uso se abandonaron en beneficio de los llamados combustibles

convencionales, energías fósiles, por falta de rendimiento o menores costes de producción. Pero los

tiempos han cambiado y la necesidad de la autosuficiencia, los objetivos de reducción de emisiones y

los elevados costes de estos combustibles convencionales hacen que la vuelta a la utilización de la

biomasa sea una necesidad. También, gracias a la tecnología, han hecho de la biomasa un combustible

con un rendimiento comparable a la de combustibles convencionales y que en determinadas

aplicaciones sea una alternativa gracias a su rentabilidad económica.


15

Estos avances en tecnología, en especial en la automatización de procesos, que facilita el control,

posibilita el modulado de la potencia generada en función de la demanda y la supervisión de cualquier

elemento de la planta hacen que cada vez sea más eficiente la utilización de este tipo de energías.

La situación actual, centrándonos en España, y con los planes de reducción de emisiones de gases de

efecto invernadero, la producción de energía renovable, y en especial por parte de la biomasa, ha ido

en aumento, aunque no tanto como para cumplir los límites de emisiones impuestos desde la Unión

Europea.

Este tipo de energía se utiliza tanto en aplicaciones eléctricas como en térmicas, siendo esta última la

más utilizada. En el ámbito doméstico la proliferación de estufas y calderas para la producción de calor

y ACS (Agua Caliente Sanitaria) poco a poco se va imponiendo. Pero es a nivel industrial donde ésta

energía se está sacando más partido. Utilizando residuos forestales o agrícolas, la industria es capaz

gracias a plantas de biomasa generar tanto electricidad como calor, pudiendo utilizarlos en sus propios

procesos productivos. De esta manera se consigue un ahorro energético considerable, reduciendo las

emisiones y los costes por la compra de combustibles convencionales.

2.6. Estructura de la Memoria

Siguiendo la plantilla de los trabajos de automática que facilita el director del TFG y adaptándola a la

que nos ofrece la Escola d’Enginyeria de Barcelona Est (EEBE), la estructura de esta memoria se divide

en 7 grandes apartados.

1. Prefacio: se trata de explicar el origen del trabajo y los requisitos necesarios para poder

hacerlo.

2. Introducción: donde se pone en situación los aspectos generales del contenido del trabajo, los

objetivos y la motivación por el cual se realiza.

3. Análisis del problema: se explica el proceso y sus partes para conocer su funcionamiento.

4. Diseño e Implementación de la Solución: se expone la solución adoptada al problema descrito

en el apartado anterior

5. Pruebas y Resultados: se describe las pruebas realizadas para verificar el correcto

funcionamiento de la solución adoptada.

6. Normativa: se exponen las normativas seguidas para la realización de este trabajo.

7. Conclusiones: donde se explica las conclusiones obtenidas en la realización de este trabajo.

8. Bibliografía: donde se detalla la documentación consultada la realización del trabajo.

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3. Análisis del Problema

En este tercer apartado se realiza el análisis del problema, donde se describe el proceso a automatizar

y se exponen las características del mismo. También se explican los procesos físico-químicos que

intervienen. Además, se describe el sistema de control, los equipos, las fases y lazos de control.

También se incluye los requisitos funcionales necesarios para un buen funcionamiento del proceso a

automatizar.

3.1. Descripción del Proceso a Automatizar

La planta a automatizar en este trabajo, como ya se ha dicho anteriormente, es una planta de

generación de energía eléctrica que utiliza biomasa como combustible. A continuación, se enumeran

las 6 etapas de este proceso y se describen cada una de ellas.

3.1.1. Fases del proceso a Automatizar

3.1.1.1. Dosificación del combustible y el comburente

Para que la combustión se produzca se necesita hacer llegar el combustible, la biomasa, y el

comburente, el aire, a la cámara de combustión en la caldera. La biomasa se hace llegar hasta la cámara

dentro de la caldera, desde los depósitos donde se almacenan, a través de una dosificadora. El aire se

almacena en un compresor, donde se le da presión, y también se hace llegar a la caldera por una

dosificadora. Estas dosificadoras son unas válvulas de control de flujo que hacen posible la regulación

de las cantidades que se introducen en la caldera para obtener las condiciones óptimas de temperatura

y exceso de aire para una buena combustión en la caldera.

3.1.1.2. La combustión

Para poder obtener una buena combustión se necesita un exceso de aire suficiente para que todo el

combustible se queme y se pueda aprovechar toda su energía. De esta forma también se evita la

emisión de demasiados inquemados (partículas sólidas en suspensión). Su acumulación en la caldera

podría provocar una mala combustión, dañar la caldera o contaminar con su emisión a la atmosfera.

Con la combustión de la biomasa en la caldera se consigue aumentar la temperatura del interior que

hace calentar el agua que entra desde un tanque y transformarla en vapor sobrecalentado que es el

que hará mover las turbinas. El agua que proviene del tanque, donde se almacena, pasa primero por

una zona de la caldera llamada economizador. En esta zona se utilizan los gases de la combustión para

precalentar el agua antes de pasarla al interior de la caldera y así se optimiza el proceso.


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3.1.1.3. Eliminación de los residuos

En la combustión se generan residuos que deben ser eliminados. Estos residuos son los gases y las

cenizas resultantes de la combustión. Los gases son filtrados previamente a la expulsión por una

chimenea para evitar la contaminación del aire. Las cenizas se depositan en un cenicero, que se

encuentra debajo de la caldera, a través de una válvula de paso. Estas cenizas pueden ser reutilizadas

posteriormente para otros usos, por ejemplo como fertilizante, por estar compuestos por elementos

como el fósforo o el potasio.

3.1.1.4. Turbina de vapor

Cuando el vapor adquiere una temperatura de unos 400 °C, se le denomina vapor sobrecalentado y es

entonces cuando está preparado para ser llevado a la turbina de vapor. El vapor pasa a través de una

válvula de control de flujo para regular el caudal de éste hacia la turbina. Este vapor es dirigido hacia

unas toberas que reducen su presión y aumentan su velocidad. Este flujo hacen mover los álabes de la

turbina y ésta comienza a girar transformando su energía en energía mecánica. Un generador acoplado

al eje de la turbina transforma esa energía mecánica en energía eléctrica.

3.1.1.5. Generación de energía

La energía eléctrica producida por el generador pasa por un transformador para aumentar su tensión.

El transformador que está conectado a la red eléctrica introduce esa energía a la red. Otra opción es

que esta energía sea aprovechada por el propio proceso industrial.

3.1.1.6. Recuperación del agua

El vapor al salir de la turbina pasa por un condensador. En este condensador el vapor pierde

temperatura hasta condensarse y volver al estado líquido. La pérdida de temperatura se consigue

gracias a que el condensador está conectado a una torre de refrigeración donde se introduce agua fría

proveniente de alguna fuente de agua, ya sea un río o lago. Después esta agua se lleva a un tanque

donde se almacena para que el proceso pueda volver a empezar.

Memoria

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Figura 3.1. Diagrama de Tuberías e Instrumentación (PI&D) de la planta de biomasa


19

3.1.2. Química del Proceso

A continuación se describen los procesos químicos y termodinámicos que hacen posible la obtención

de energía eléctrica a través de la combustión de biomasa.

3.1.2.1. Triángulo o tetraedro del fuego

El estudio de la dinámica del fuego y de su extinción se puede representar de forma intuitiva

empleando un triángulo o tetraedro del fuego. Una forma habitual de describir el proceso de

combustión. Con este triángulo se intenta representar que sin la unión de tres elementos la

combustión no se puede dar.

Figura 3.2. Triángulo del fuego (ASOCIACION DEPORTIVA Y CULTURAL de Bomberos de Navarra s.f.)

Estos tres elementos son:

- Combustible: es cualquier sustancia capaz de arder o sufrir una rápida oxidación en

determinadas condiciones.

- Comburente: es el elemento que en presencia de combustible puede arder u oxidar a éste en

una combustión. Normalmente este elemento es el oxígeno. El oxígeno está presente en el

aire con una concentración aproximada de un 21%. Por eso el aire es el comburente más

utilizado en procesos de combustión.

- Energía de activación: es la energía (calor) que es necesario aportar para que el combustible

y el comburente reaccionen. Por lo tanto es la energía que inicia el proceso de combustión.

Esta energía proviene de un foco de ignición desde el exterior.

La humedad, la temperatura ambiente, la forma de apilado, etc…, son factores que junto con las

características del combustible hace que los parámetros de esta energía de activación varíe.

Memoria

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La energía generada por la reacción se disipa de varias formas, energía térmica en forma de calor o

llamas y esta energía disipada a su vez es la que permite que la reacción continúe. Esta energía que

permite que la reacción continúe también se le llama reacción en cadena y permite la

retroalimentación de la reacción sin necesidad de una energía de activación.

3.1.2.2. Poder calorífico de los diferentes tipos de biomasa

La Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR), utiliza la definición de la Es-

pecificación Técnica Europea CEN/TS 14588 para catalogar la “biomasa” como “todo material de origen

biológico excluyendo aquellos que han sido englobados en formaciones geológicas sufriendo un

proceso de mineralización”. Esta definición engloba un gran grupo de materiales de orígenes diversos

y con características muy diferentes.

Figura 3.3. Orígenes de la biomasa (Instituto para la diversificación y ahorro de la energía s.f.)

Esta diversidad, tanto de recursos como de aplicaciones, es la principal característica de la biomasa.

Esta variedad permite utilizar la biomasa para diversos usos. Estos usos pueden ser tanto domésticos

como industriales. A nivel doméstico, para calefacción y producción de agua caliente sanitaria (ACS). A

nivel industrial, para procesos térmicos, como el secado, la producción de agua caliente o vapor; y

también para la producción de energía eléctrica.

Esta heterogeneidad de la biomasa junto con su contenido energético puede llegar a substituir a

combustibles fósiles en procesos industriales. Esto implica que la demanda energética de los procesos

industriales puede ser cubierta en gran medida con biomasa.


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El nivel de energía contenido en la biomasa se mide a través de su poder calorífico. El poder calorífico

se define como la cantidad de energía por unidad de masa que un combustible desprende al quemarse,

y se suele expresar en kcal/kg. Existen dos tipos:

- Poder calorífico superior (PCS): Es el calor generado por unidad de combustible

cuando el agua en forma de vapor se condensa y se convierte en líquido.

- Poder calorífico inferior (PCI): Es el calor generado por unidad de combustible cuando en los

humos de combustión está presente el agua en forma de vapor. Una parte de este calor se

utiliza para evaporar el agua, por lo que no es aprovechada por la caldera.

Gracias a la ecuación de Dulong, se puede obtener una buena aproximación del poder calorífico

superior. Sabiendo los porcentajes de los elementos químicos previo análisis de la muestra de biomasa:

carbono, hidrogeno, oxígeno y azufre.

Una vez calculado el PCS, si se conoce el porcentaje de humedad del combustible, podemos calcular el

PCI con la siguiente ecuación.

La tabla siguiente recoge el poder calorífico inferior (PCI) para distintos contenidos de humedad de los

recursos de biomasa más habituales. Para otros porcentajes de humedad, que afectan directamente a

dicho PCI, se puede aplicar un factor de corrección aproximado como se indica en la figura 3.3.

𝑷𝑪𝑺 = 𝟖𝟏𝟎𝟎 · %𝑪 + 𝟑𝟒𝟎𝟎𝟎 · (%𝑯 −

%𝑶𝟖

) + 𝟐𝟓𝟎𝟎 · %𝑺

𝟏𝟎𝟎

(Eq. 3.1)

𝑷𝑪𝑰 = 𝑷𝑪𝑺 − 𝟓𝟔𝟎 %𝑯𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂𝒅

𝟏𝟎𝟎

(Eq. 3.2)

Memoria

22

Figura 3.4. Factor de corrección en función de la humedad (Instituto para la diversificación y ahorro

de la energía s.f.)

Tabla 1. Poderes caloríficos de biomasa. (Instituto para la diversificación y ahorro de la energía s.f.)


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3.1.2.3. Combustión de la biomasa

La combustión es una reacción oxidante, donde un material (combustible) es el elemento oxidado por

el comburente, normalmente el oxígeno del aire. Para que se produzca la combustión es necesario una

energía de activación que es la que inicia la reacción. También es necesario que se pongan en contacto

una cantidad de combustible y comburente en una relación adecuada.

En función de estas proporciones nos encontramos con varios tipos de combustión:

- Combustión completa: es aquella en la cual se produce la oxidación completa de todo el

combustible.

- Combustible exacta o estequiométrica: se produce con la combustión completa pero se

realiza con la cantidad exacta de oxígeno para oxidar completamente el combustible. Con esta

combustión al consumirse completamente tanto el combustible como el comburente, los

gases resultantes no contienen ninguna de estas sustancias.

- Combustión incompleta: se produce cuando no se oxidan todos los componentes del

combustible. Suele ser por falta de comburente. Esto provoca la aparición de inquemados,

donde destaca el monóxido de carbono (CO) por su peligrosidad.

Para que se produzca la combustión es necesario que se alcance unos niveles de temperatura que

desencadene una serie de fenómenos que se pueden diferenciar en varias fases:

- Evaporación: desecación de la biomasa y eliminación del agua en forma de vapor. A partir de

los 150 °C

- Volatilización: descomposición de los compuestos volátiles de la biomasa. Proceso que ocurre

a partir de los 200-250 °C.

- Inflamación: los elementos volátiles de la etapa anterior se inflaman y provoca una

gasificación de la biomasa. Este proceso ocurre a partir de 300-500 °C hasta unos 1300 °C.

- Carbonización: ocurre a temperaturas elevadas cuando los procesos de gasificación han

acabado y solo quedan las cenizas.

Memoria

24

Figura 3.5. Fases del proceso de combustión (LA ENERGÍA DE LA BIOMASA 1999)

3.1.2.4. Exceso de aire en la combustión

El coeficiente de exceso de aire es la relación entre el volumen de aire y la cantidad de combustible.

Esta relación se representa mediante un número adimensional λ, este valor puede ser:

- λ =1: Aire en proporción estequiométrica.

- λ <1: Defecto de aire, la mezcla es rica en combustible y la combustión resulta incompleta.

- λ >1: Exceso de aire, la mezcla es pobre pero la combustión completa.

Un defecto en la cantidad de oxígeno en la mezcla con el combustible impide que la combustión sea

completa, lo cual provoca inquemados indeseados, porque perjudica al equipo y a la combustión, y

monóxido de carbono, un gas altamente contaminante que obligaría a la instalación de sistemas para

reducir esas emisiones.

Por todo ello y por lo que se muestra en la siguiente figura 3.5 se necesita un coeficiente superior al 1

para obtener una combustión completa. Para que un coeficiente excesivo no implique una disminución

en la temperatura de la llama dentro de la caldera y un tiempo de combustión más lento, el coeficiente

estará entre 1.2 y 1.4 aproximadamente. Este rango de exceso de aire es el ideal para la combustión

de combustibles sólidos como es la biomasa.


25

Figura 3.6. Diagrama de la combustión (Be sure. Testo Academia online s.f.)

3.1.2.5. Ciclo Rankine

El ciclo rankine es un ciclo de potencia típico de un proceso termodinámico de una central térmica de

vapor. Tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo. Utiliza un fluido, normalmente agua, que

evapora y condensa alternativamente.

Figura 3.7. Diagrama de Ciclo Rankine (Plantas de Biomasa s.f.)

Memoria

26

- Proceso 1-2: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una

bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo

hasta el valor de presión en la caldera.

- Proceso 2-3: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.

En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de

saturación o ebullición, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor. Este vapor

sobrecalentado es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo.

- Proceso 3-4: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la

caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera

potencia en el eje de la misma.

- Proceso 4-1: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el

circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido

saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de

carga.

Figura 3.8. Gráficas T-S y p-v de un Ciclo Rankine (Ciclo Rankine s.f.)

3.1.3. Modelo del Proceso


27

3.2. Sistema de Control

En este apartado se explica cómo se realiza el proceso de control de la planta en cada uno de sus

estados. Se describe como se codifica los elementos que forman parte del sistema para que resulte

fácil su comprensión. También se muestran las etapas del proceso de control y qué elementos se

accionan en cada una de las etapas y se señalan qué lazos de control existen donde podremos controlar

ciertas variables para el proceso funcione como deseamos.

El sistema de control de esta planta de biomasa consta de dos modos/estados de trabajo, manual y

automático, cuatro estados, en servicio o fuera de servicio, en marcha o en paro. Todos estos estados

son incompatibles entre sí, por ejemplo, si el sistema está en manual solo podrá estar en manual, si se

pasa al estado automático dejará de estar en manual, y así con todos los demás estados.

A continuación se describen las implicaciones de estar en cada uno de los estados.

- Manual: la planta estará en este estado nada más encenderla. En este estado se puede

controlar de forma individual cada elemento. Los elementos se pueden poner en servicio o

fuera de servicio y las alarmas saltarán si se produce las condiciones y se podrá resetearlas si

esas condiciones dejan de cumplirse. Si queremos poner en marcha o abrir algún elemento en

este estado tendrá que estar en servicio y sin alarmas para que se pueda ejecutar esa orden.

- Automático: en este estado se podrá iniciar la secuencia que pone en marcha el sistema. Para

ello todos los elementos tendrán que estar en este estado y previamente poner todos los

sistemas en servicio (armar el sistema), además que no hayan alarmas. Una vez se cumplan

estos requisitos y se pulsa Reset, los Grafcets se inicializarán. Con los grafcets inicializados si se

pulsa Marcha el proceso dará comienzo.

- En Servicio: este estado es en el cual un elemento del sistema está habilitado. Si el sistema

está en estado Manual, se podrán controlar los elementos individualmente. Si está en

automático, estará preparado para seguir la secuencia para poner en marcha el sistema.

- Fuera de Servicio: en caso de que el sistema esté en Manual, los elementos se encontrarán en

este estado si tienen alguna alarma, en este caso hasta que no se solucione dicha alarma y no

se vuelva a poner en servicio el elemento no estará habilitado. También se puede poner fuera

de servicio un elemento dándole la orden. En caso de que el sistema esté en automático, el

sistema pasará a estar fuera de servicio cuando salte alguna alarma o no esté en servicio.

Memoria

28

- En Marcha: si el sistema está en manual, este estado se refiere al estado en marcha de un

elemento a nivel individual. Si está en automático, la secuencia del Grafcet control está activa.

Para que esté en este estado no tiene que estar en Paro ni alarmas y sin alarmas.

- En Paro: este estado solo se da cuando el proceso de parada está activo, solo se da este estado

cuando el sistema está en automático.

3.2.1. Equipos

En los proyectos de automática es muy importante que la codificación de los elementos del sistema

siga un criterio claro y lógico. Esta estructura de codificación y su etiquetado en todos los elementos

es muy útil para tareas de mantenimiento y control. También que se mantenga este criterio a lo largo

de todo el proyecto ayuda a la comprensión de este. Por eso trasladar esta estructura de codificación

al sistema SCADA facilita su entendimiento.

Siguiendo la codificación de otros proyectos de automática realizados en la carrera y en especial en la

asignatura “Integración de sistemes automàtics” (ISA), la codificación de los elementos utilizada en

este proyecto se muestra en la siguiente tabla.

Elemento Codificación

BOMBA CENTRÍFUGA BC

COMPRESOR CENTRÍFUGO (SOPLADOR) CCO

VENTILADOR EXTRACTOR FAN

VÁLVULA REGULADORA FCV

GENERADOR G

TRANSMISOR INDICADOR DE NIVEL LIT

TRANSMISOR INDICADOR DE OXÍGENO OIT

TRANSMISOR INDICADOR DE PRESIÓN PIT

TURBINA T

TRANSMISOR INDICADOR DE TEMPERATURA TIT

VÁLVULA TODO/NADA V

CAUDALIMETRO FIT

A la hora de realizar la codificación del sistema se ha optado únicamente por poner el elemento más

el número que lo identifica separados por un guion bajo. Se descartó poner el código del proceso por

no haber suficientes como para identificarlos.

Tabla 3. Codificación de los elementos del sistema Tabla 2. Codificación de los elementos del sistema


29

Un ejemplo de la codificación utilizada es la siguiente:

FCV_01

Figura 3.9. Ejemplo de codificación de un elemento

A continuación se muestra una tabla con los distintos elementos del sistema:

Listado de Elementos

Ítem Tag

elemento Tipo de

elemento Descripción

1 BC_01 M BOMBA CENTRÍFUGA DE COMBUSTIBLE AUXILIAR

2 BC_02 M BOMBA CENTRÍFUGA CONDESADOS

3 BC_03 M BOMBA CENTRÍFUGA AGUA

4 BC_04 M BOMBA CENTRÍFUGA REFRIGERACIÓN

5 CC_01 CCO COMPRESOR CENTRÍFUGO (SOPLADOR)

6 FAN_01 M VENTILADOR EXTRACTOR DE HUMOS

7 FCV_01 FCV VÁLVULA REGULADORA DE COMBUSTIBLE (BIOMASA)

8 FCV_02 FCV VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL DE AIRE

9 FCV_03 FCV VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL VAPOR

10 FIT_01 IT CAUDALIMETRO BIOMASA A CALDERA

11 FIT_02 IT CAUDALIMETRO AIRE A CALDERA

12 FIT_03 IT CAUDALIMETRO VAPOR CALDERA A TURBINA

13 FIT_04 IT CAUDALIMETRO AGUA CONDESADOR A TANQUE

14 FIT_05 IT CAUDALIMETRO AGUA TANQUE A CALDERA

15 FIT_06 IT CAUDALIMETRO COMBUSTIBLE AUXILIAR A CALDERA

16 G_01 G GENERADOR

17 LIT_01 IT TRANSMISOR INDICADOR DE NIVEL DE AGUA EN TANQUE

18 OIT_01 IT TRANSMISOR INDICADOR DE OXÍGENO

19 PIT_01 IT TRANSMISOR INDICADOR DE PRESIÓN DEL VAPOR

20 T_01 T TURBINA VAPOR

21 TIT_01 IT TRANSMISOR INDICADOR DE TEMPERATURA CALDERA

22 TIT_02 IT TRANSMISOR INDICADOR DE TEMPERATURA VAPOR

23 V_01 V VÁLVULA TODO/NADA DE CAUDAL COMBUSTIBLE AUXILIAR

24 V_02 V VÁLVULA TODO/NADA BY PASS

25 V_03 V VÁLVULA TODO/NADA REFRIGERACIÓN

26 V_04 V VÁLVULA TODO/NADA DE CAUDAL CONDESADOS

27 V_05 V VÁLVULA TODO/NADA DE CAUDAL AGUA

28 V_06 V VÁLVULA TODO/NADA EXPULSIÓN DE CENIZA

Código del elemento Número del equipo

Tabla 3. Listado de elementos del sistema

Memoria

30

3.2.2. Fases del Proceso

En todo proyecto de automática es muy importante realizar un GRAFCET donde se puede observar el

funcionamiento del proceso. Este proceso se divide en etapas donde se ejecutan las acciones y entre

etapa y etapa, las transiciones, las condiciones de continuidad para el desarrollo del proceso. Estos

Grafcets funcionan en estado automático, el sistema esté armado, no haya alarmas, se hayan

inicializado con un Reset y se pulse el botón de Marcha. Si se produce una alarma o algún elemento

entra en fuera de servicio el sistema entraría en el proceso de parada.

En las siguientes figuras se muestran los Grafcets del sistema, uno de todo el proceso, otro del proceso

detallado hasta la generación de energía y otro del proceso de parada.

Figura 3.10. Grafcet del sistema


31

Figura 3.11. Grafcet del sistema de puesta en marcha detallado

Memoria

32

Figura 3.12. Grafcet del sistema del proceso de parada


33

3.2.3. Lazos de Control

Para el buen funcionamiento del proceso de la planta es necesario el control de ciertas variables del

proceso. Este control se realiza mediante los llamados lazos de control o “loops”. Estos lazos de control

se realizan a través de las válvulas reguladoras de flujo que se encuentran en el sistema.

A lo largo del proceso se necesitan tres lazos de control para la regulación de la temperatura y el exceso

de aire de la caldera, y también la potencia eléctrica generada. Todos estos lazos de control se regulan

a través de un PID que generan un lazo de control entre la variable a controlar y la variable de control.

El PID mide la variable de salida y actúa en consecuencia desde la variable de control en función del

valor deseado en la salida o consigna.

- Lazo de control para la regulación de la temperatura en la caldera:

Este lazo controla la entrada de biomasa a la caldera para su combustión. Se controla

regulando la apertura de la válvula de control de flujo FCV_01. Con este control podremos

hacer variar la temperatura en la caldera y se puede visualizar con el sensor de temperatura

TIT_01. Cuanta más biomasa haya en la caldera más calor se genera.

- Lazo de control para la regulación del exceso de aire en la caldera:

Este lazo controla la entrada del aire a la caldera para crear una buena condición de

combustión. Se controla regulando la apertura de la válvula de control de flujo FCV_02. Con

este control podremos variar el exceso de aire en la caldera y se puede visualizar con el sensor

de oxígeno OIT_01. Este exceso de aire se calcula en base a la cantidad de biomasa en la

caldera. Siempre tendrá que haber una relación superior a 1:1 entre el aire y la biomasa que

estén en ese momento en la caldera.

- Lazo de control para la regulación de la potencia eléctrica generada:

Este lazo controla el paso de vapor a la turbina para la generación de electricidad a través del

generador. Se controla regulando la apertura de la válvula de control de flujo FCV_03. Con este

control podremos hacer variar la energía eléctrica generada desde el generador G_01. Cuanto

más flujo de vapor pase por la turbina más energía se genera.

Memoria

34

3.3. Requisitos Funcionales

A continuación se exponen los requisitos funcionales del programa de PLC necesarios para un buen

funcionamiento del sistema.

Especificación de requisitos funcionales Requisito Descripción

RQF01 Al iniciar el programa, el sistema estará en Manual y con los elementos fuera de servicio.

RQF02 En servicio y fuera de servicio de un elemento dependerá de una orden directa desde el SCADA. Independientemente de la orden del SCADA un elemento en alarma estará siempre en alarma.

RQF03 La Marcha de un elemento en Manual será posible desde el SCADA siempre y cuando esté en servicio y sin alarmas.

RQF04 Las alarmas que se gestionaran en el PLC son todas las que pueda mostrar un elemento.

RQF05 Con el reset del elemento se desenclavarán las alarmas que ya no estén activas.

RQF06 Las FCV darán alarma de posición si en 35 s los caudalimetros no marcan el caudal equivalente a la apertura de la válvula.

RQF07 Las válvulas ON/OFF darán alarma de posición si 10 s después de darle una orden de abrir o cerrar no llegan al final de carrera correspondiente.

RQF08 El compresor de aire dará alarma si dada la orden de Oil o Cool no da el OK o si se da la orden de Cool antes de que esté el OK del Oil o si se pulsa Start antes de que los sistemas de Oil y Cool estén OK.

RQF09 Para que el sistema funcione en Automático, todos los elementos deben estar en Automático

RQF10 Para que el sistema pueda ponerse en Automático todos los elementos deben estar en servicio

RQF11 Para poder iniciar la secuencia en Automático será necesario hacer un RESET al sistema

RQF12 El sistema entrará en proceso de parada si se pulsa el botón de Paro y el sistema en Automático y en Servicio

RQF13 El rango de valores de apertura de la FCV_01 será: 20-60%



RQF16 El rango óptimo de exceso de aire será: 1,2-1,4%

RQF17 El sistema de combustible auxiliar pre-calentará la caldera a 300 °C

RQF18 Durante el pre-calentamiento la consigna de exceso de aire será 1,8 %

RQF19 El valor de consiga óptima de exceso de aire será 1,3 %

RQF20 El valor de consiga óptima de temperatura en la caldera será 1300 °C

RQF21 El valor de consigna óptima de energía será de 3MW

Tabla 4. Requisitos funcionales


35

3.4. Requisitos de Diseño

Estos son requisitos no funcionales, requisitos sobre el espacio de posibles soluciones. Son requisitos

más referidos al HMI del sistema SCADA.

Especificación de requisitos de diseño Requisito Descripción

RQD01 Desde el SCADA será posible la selección de los modos de funcionamiento Manual y Automático del sistema, y por lo tanto, de todos los elementos

RQD02 Habrá una ventana principal donde se visualice todos los elementos que conforman el sistema

RQD03 Desde la pantalla principal se podrá acceder mediante botones o flechas de navegación a las pantallas de control, alarmas y gráfico histórico

RQD04

La pantalla de control se visualizará los estados del sistema. Estarán los botones de control del sistema, como Manual/Automático, Marcha/Paro o Reset, etc… Introducción de consignas, visualización de datos de cada subproceso y acceso a esas pantallas. También se podrá visualizar las alarmas y en qué estado de la secuencia se encuentra

RQD05 la pantalla de alarmas donde se podrán visualizar las alarmas de los elementos y su reconocimiento

RQD06 La pantalla de gráficos donde se graficarán, mediante un histórico, los datos más importantes del proceso

RQD07 En las ventanas de los subprocesos habrá un pequeño esquema de ese proceso y gráficas en tiempo real de las señales importantes que intervienen. También se podrá navegar a través de flechas entre los diferentes subprocesos

RQD08 Haciendo clic sobre los elementos del sistema se podrá acceder a una ventana (Pop-up) desde la cual se podrá controlar ese elemento

RQD09 Todas las pantallas dispondrán de un marco superior y otro inferior. En el superior se podrá visualizar la fecha, la hora y el título de esa ventana. En el inferior los botones y flechas de navegación

RQD10 Habrá un botón donde se explique el funcionamiento del proceso y otro donde se identifique al autor

RQD11 Se crearán dos niveles de usuarios: Administrador y Operario. El primero tendrá acceso al control del sistema y a la gestión de usuarios. El segundo solo podrá visualizar el sistema.

RQD12 Todos los equipos/elementos tendrán elementos gráficos que identifiquen su estado o modo de trabajo

RQD13 El color verde indicará que el elemento está en marcha, el rojo que está en alarma y un triángulo amarillo que está fuera de servicio

RQD14 El diseño de cada elemento del SCADA dejará claro de que se trata

RQD15 Los tags utilizados tendrán relación con el PLC para facilitar su identificación

Tabla 5. Requisitos de diseño

Memoria

36

RQD16 La navegación entre las diferentes pantallas de la aplicación será fácil e intuitiva

RQD17 Los scripts de la aplicación estarán comentados para facilitar el entendimiento de su función

3.5. Metodología de Desarrollo

Para el correcto desarrollo de este proyecto y el cumplimiento de todos los objetivos marcados se ha

seguido una metodología de trabajo que es la siguiente:

1. Estudio previo: Lo primero de todo es encontrar un proceso viable a ser automatizado. Cuando

se tenga, definir el alcance del proyecto identificando sus partes, sus etapas y sus lazos de

control

2. Estudio en detalle: una vez se tiene claro el alcance del trabajo y las etapas del mismo se

definen los elementos necesarios para cumplir con el comportamiento definido

anteriormente. Definiendo las señales necesarias para el control de los mismos.

3. Programación del PLC: se modelizan los controles de los elementos y el sistema en los distintos

estados, la simulación del comportamiento de la planta y la configuración de los lazos de

control.

4. Diseño del sistema SCADA: comunicar el PLC con el sistema SCADA. Trasladar las señales del

PLC necesarias para el control desde el SCADA. Diseño de la interfaz de la aplicación para la

supervisión de las diferentes etapas del proceso y su control.

5. Pruebas de sistema: por último se realizan simulaciones de todo el proceso para verificar que

todo el sistema funcione como se ha diseñado.

3.6. Planificación de las tareas

Para la realización de este proyecto se ha realizado un diagrama de Gantt para la planificación

de las tareas a realizar durante éste. Se adjunta una tabla con las tareas realizadas y su

intervalo de tiempo, a continuación se muestra también el diagrama de Gantt que muestra

más claramente el orden de ejecución de cada una de las tareas realizadas.


37

Nombre de la tarea Fecha de inicio

Fecha final Duración (días)

Preparación del tema del TFG 03/11/2017 13/11/2017 10

Búsqueda de información 03/11/2017 25/03/2018 142

Descripción del proceso a automatizar

10/01/2018 15/02/2018 36

Definición de las etapas del proceso

10/02/2018 05/03/2018 23

Definición de los elementos del sistema y su codificación

05/03/2018 15/03/2018 10

Creación de los tags de los elementos en RSLogix

16/03/2018 18/07/2018 124

Creación de los tags de los elementos en el SCADA

03/05/2018 20/07/2018 78

Configuración comunicaciones de programa y PLC virtual

20/03/2018 21/03/2018 1

Programación del control de cada elemento en el PLC

20/03/2018 15/04/2018 26

Programación de la simulación de la planta en el PLC

16/04/2018 03/08/2018 109

Programación de las etapas del proceso en el PLC

12/07/2018 15/08/2018 34

Programación de los lazos de control y configuración del PID

10/08/2018 24/08/2018 14

Configuración comunicaciones PLC-SCADA

02/05/2018 03/05/2018 1

Diseño y programación de la aplicación SCADA

25/06/2018 30/08/2018 66

Fase de pruebas de la aplicación 15/08/2018 30/08/2018 15

Realización de la memoria del proyecto

01/06/2018 24/09/2018 115

Revisión final del funcionamiento del programa

17/09/2018 24/09/2018 7

Revisión final de la memoria 17/09/2018 24/09/2018 7

Tabla 6. Tabla con las tareas realizadas en el proyecto

Memoria

38

Figura 3.13. Diagrama de Gantt del proyecto

03/11/2017 23/12/2017 11/02/2018 02/04/2018 22/05/2018 11/07/2018 30/08/2018

Preparación del tema del TFG

Búsqueda de información

Descripción del proceso a automatizar

Definición de las etapas del proceso

Definición de los elementos del sistema y su codificación

Creación de los tags de los elementos en RSLogix

Creación de los tags de los elementos en el SCADA

Configuración comunicaciones de programa y PLC virtual

Programación del control de cada elemento en el PLC

Programación de la simulación de la planta en el PLC

Programación de las etapas del proceso en el PLC

Programación de los lazos de control y configuración del PID

Configuración comunicaciones PLC-SCADA

Diseño y programación de la aplicación SCADA

Fase de pruebas de la aplicación

Realización de la memoria del proyecto

Revisión final del funcionamiento del programa

Revisión final de la memoria

Diagrama de Gantt del proyecto


39

3.7. Recursos

Para la buena realización de este proyecto se ha necesitado de varios recursos que se enumeran a

continuación:

1) Ordenador portátil con acceso a internet para la búsqueda de información.

2) Apuntes de las asignaturas de automática de la carrera.

3) Libros sobre el proceso a automatizar.

4) Máquina virtual proporcionada por el director del proyecto con todo el software necesario

para la realización de este proyecto.

a. RSLinx Classic: Comunicación entre el programa del PLC y el sistema SCADA.

b. RSLogix Emulate 5000: simulación de PLC virtual.

c. RSLogix 5000 Enterprise: compilador de programa PLC.

d. InTouch Wonderware: programación sistema SCADA.

5) Software VMware® Workstation 12 Pro para trabajar con máquinas virtuales.

Memoria

40

4. Diseño e Implementación de la Solución

En este apartado se expone la solución adoptada para la automatización del proceso de acuerdo a los

requisitos expuestos anteriormente. Se explica el sistema de control, la simulación del proceso, la

estructura del programa y la aplicación SCADA.

4.1. Arquitectura del Sistema de Control

4.1.1. Hardware del Sistema

Este proyecto de automática no consta de un hardware específico, se basa todo en programación. La

planta se simula desde la programación desde el PLC. Las señales que se simulan son el equivalente a

las señales de entrada y salida físicas que tendría un sistema de control en una planta real.

4.1.2. Software del Sistema

Como se ha dicho anteriormente este proyecto es una simulación de un proceso y se realiza todo desde

la programación del PLC. Para ello se tiene todo el software necesario en una máquina virtual que se

abre desde VMware® Workstation 12 Pro, un software que permite la gestión de éstas y que ejecuta

Windows XP donde están instalados todos los programas de programación de PLC y diseño de SCADA.

Los programas son los siguientes:

1. RSLinx Classic: Comunicación entre el programa del PLC y el sistema SCADA, mediante el

protocolo de Windows, DDE, el cual permite la comunicación entre aplicaciones en Windows.

2. RSLogix Emulate 5000: simulación de un PLC virtual con sus tarjetas de entradas/salidas y la

CPU del PLC para poder simular la programación y visualizar su comportamiento.

3. RSLogix 5000 Enterprise: compilador del programa PLC, donde escribimos en ladder el

programa.

4. InTouch Wonderware: software de diseño de sistemas SCADA que se utiliza para la supervisión

y el control del sistema.

4.1.3. Vista Global de las Comunicaciones

La comunicación global de todo el proceso requiere de varias configuraciones para que el programa se

pueda simular en un PLC virtual y controlar desde el SCADA el sistema. En este caso se tiene que

configurar el controlador para que se comunique con el programa y a través del RSLinx se pueda

comunicar todo con el SCADA.


41

Figura 4.1. Visión global de comunicaciones (Caro s.f.)

Figura 4.2. Detalle comunicación DDE (Caro s.f.)

Para configurar estas comunicaciones primero se tiene que conseguir que el RSLinx reconozca el PLC

virtual. Para ello desde el RSLinx se hará clic en Comunications -> Configure Drivers – Add New y

seleccionaremos “Virtual Backplane” (VBP).

Memoria

42

Figura 4.3. Creación de Virtual Backplane (VBP)

Una vez creado se comprueba que se haya creado correctamente.

Figura 4.4. Comprobación de VBP

Después de la comprobación se irá al RSLogix para añadir los módulos del PLC Virtual y

entradas/salidas.


43

Figura 4.5. Configuración I/O en RSLogix

Por último, se configura el RSLogix Emulate añadiendo a los slots vacíos la CPU del PLC virtual y la tarjeta

de entradas/salidas.

Figura 4.6. Creación del PLC Virtual y tarjeta entradas/salidas

Con esta última configuración ya se puede simular el comportamiento de la planta. Para ello habrá que

descargar el programa al PLC Virtual, poner el RSLogix 5000 en Online y Run Mode.

Memoria

44

4.1.4. Comunicaciones SCADA-Controlador-Proceso

La comunicación entre el PLC y el SCADA se realiza a través del protocolo de comunicación DDE

(Dynamic Data Exchange). Con este protocolo comunicamos el software RSLinx y el InTouch para que

las órdenes dadas desde el SCADA se reflejen en el PLC para controlar el sistema.

Para realizar esta comunicación hay que configurar el protocolo DDE en el InTouch. Para ello abriremos

la pestaña Special -> Acces Name -> Add. En la ventana que se abre al final de estos pasos se pondrá lo

que se ve en la siguiente figura para crear el tipo de comunicación que usaremos.

Figura 4.7. Configuración del Acces Name DDE

Una vez configurado este Acces Name con el protocolo DDE, por parte de del SCADA ya estaría. Solo

faltaría configurar los tags para que puedan comunicar. Cuando se crean los tags del sistema éstos

tienen que ser del tipo I/O y el tipo original que haga falta (discrete, real, etc) y además estar asociados

a un tag del PLC, que se pondrá en el apartado item junto con este Acces Name para que pueda haber

comunicación entre los tags del SCADA y el PLC. A continuación se muestra la ventana de un tag

configurado correctamente.


45

Figura 4.8. Configuración de un tag del sistema

Importante apreciación, los tags del SCADA no admiten puntos en su nombre. Habrá que cambiarlos

por un guion bajo, manteniendo la estructura del tag lo más parecida posible a la del PLC.

Una vez se tenga configurado todo esto, es hora de configurar el DDE en el RSLinx. Se hará clic en

DDE/OPC -> Topic Configuration -> New y crearemos un nuevo topic. Después asociaremos este topic

a la CPE emulada que nos aparece en la lista.

Figura 4.9. Configuración del topic TFG_SCADA en RSLinx

Memoria

46

Con el topic configurado, se crea un alias (DDE) que se vinculará al topic anteriormente creado.

Figura 4.10. Configuración del Alias en RSLinx

Con todas las comunicaciones configuradas ya se puede descargar el programa al PLC Virtual ponerlo

en Online y ejecutarlo dándole a Run Mode. Sin cerrar los programas RSLogix Emulate ni el RSLinx y

ejecutando la aplicación SCADA poniéndola en RunTime, se puede simular el comportamiento de la

planta y comprobar el correcto funcionamiento e interacción con el PLC Virtual.

4.2. Simulación del Proceso

La mayoría de veces no se dispone de una planta real la cual se quiere automatizar. Como es el caso

de este proyecto. Por eso existen varias alternativas con las que se pueden simular el comportamiento

de la planta. Una de ellas es embebida dentro del PLC y es la elegida para la automatización de la planta

de este proyecto.

Además los tiempos de simulación se han reducido con respecto a los de una planta real para que se

pueda apreciar su funcionamiento de forma clara y rápida.

4.2.1. Bloques del Sistema

Esta simulación está dividida en dos grandes bloques, los Add-On Instructions y la simulación de las

etapas del sistema en subrutinas.


47

Figura 4.11. Bloques Add-On Instructions

Figura 4.12. Bloques de Simulación

4.2.2. Estructura de Simulación

Lo primero de todo y más importante en la simulación del proceso son las instrucciones Add-On. Estas

son bloques de función creadas específicamente para realizar o recrear el comportamiento de algún

elemento.

Cada bloque de Add-On consta de dos partes. La primera “Parameters and Local Tags”, tiene sus

propios tags y se puede definir cuáles serán entradas, salidas o tags locales para que aparezcan en el

bloque de función para configurar. La segunda parte “Logic”, es donde se realiza la lógica del bloque.

Una característica de estos bloques de función Add-On es que se pueden utilizar para varios elementos

sin tener que realizar varias subrutinas para estos mismos.

Memoria

48

A continuación se definen las funciones Add-On y su comportamiento:

- Centrifugal Compressor: simula el comportamiento a las órdenes recibidas desde el PLC y las

condiciones de alarma al encendido.

- Delay: simula los retardos que se introducen en los bloques First Order.

- First Order: simula la progresión de una variable a alcanzar un valor determinado. Se puede

añadir ganancias a los valores introducidos y también un lag, que es el tiempo que tarda en

alcanzar el valor de salida. Se utiliza para visualizar valores de los caudalimetros y los sensores.

- Motor: simula el comportamiento de las bombas centrifugas y el ventilador de humos a las

órdenes recibidas desde el PLC, devuelve el estado de running cuando se cumplen las

condiciones indicadas.

- OnOffValve: simula el comportamiento de las válvulas On/Off, las temporizaciones a las

órdenes de apertura y cierre recibidas desde el PLC y las condiciones de alarmas.

- Oscillation: simula las oscilaciones propias de los valores analógicos de los sensores en las

plantas reales.

- Turbina: simula el comportamiento a las órdenes recibidas desde el PLC y las condiciones de

alarma al encendido

Por último, la otra parte de la simulación es el bloque “Planta_Simulación”, donde están las subrutinas

que definen el comportamiento de la planta. Es a esta parte del programa donde van las señales de

salida y de la cual salen las señales de entrada que llegan al programa.

A continuación se definen las subrutinas del bloque de simulaciones:

- MainRoutine: esta rutina es donde llaman todas las demás subrutinas que forman parte de la

simulación del sistema.

- Loops: es donde tenemos los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras funciones propias

del con las que se consigue la simulación de los lazos de control entre las válvulas reguladoras,

sus caudalimetros y los sensores asociados a ellos.

- Compresor_Aire: donde se asocian los tags de entradas y salidas del programa con los del

propio Add-On de Centrifugal Compressor.

- Caldera: es donde utilizando los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras funciones

propias del software de programación se simula el comportamiento de la caldera. Cogiendo

los valores de los flujos de aire y biomasa que se generan desde los loops correspondientes se

hacen los cálculos en función de las cantidades de aire y biomasa dentro de la caldera para

simular los diferentes comportamientos posibles. También se simula la implicación que tienen

el ventilador de humos y la válvula que se encarga de vaciar las cenizas en la combustión. Por


49

último también se la visualización de los sensores de temperatura y de oxígeno en función del

condiciones de la combustión.

- Motor: donde se asocian los tags de entradas y salidas del programa con los del propio Add-

On de Motor.

- Onoff_Valvula: donde se asocian los tags de entradas y salidas del programa con los del propio

Add-On de Onoff_Valvula.

- Transmisor_Indicador: se simula la posible alarma que puede provenir desde los sensores. Se

asocian a los tags de entrada correspondientes del programa PLC.

- Circulo_Vapor: es donde utilizando los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras

funciones propias del software de programación se simula la circulación del vapor cuando sale

de la caldera y de agua cuando entra en ella o cuando entra en el tanque de alimentación.

También se simula la presión y la temperatura del vapor en función de las condiciones de que

existen en la caldera.

- Combustible_AUX: es donde utilizando los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras

funciones propias del software de programación se simula el aumento de temperatura en la

caldera necesaria para el pre-calentamiento.

- Turbina: donde se asocian los tags de entradas y salidas del programa con los del propio Add-

On de Turbina y utilizando los Add-On de Delay, FirstOrder, Oscillation y otras funciones

propias del software de programación se simula la generación de energía eléctrica en función

del flujo de vapor que pasa por la turbina.

4.2.3. Diseño del Código embebido

A continuación se mostrarán algunos ejemplos del código de simulación embebido para que se

entienda como se han creado los Add-On y como forman parte importante en la simulación de las

demás subrutinas.

El código entero de la simulación se encuentra en los anexos donde se pueden ver como se han

simulado todos los procesos.

Memoria

50

Figura 4.13. Tags del Add-On OnOffValve

Figura 4.14. Lógica del Add-On OnOffValve


51

Figura 4.15. Add-On OnOffValve como bloque en la lógica de la simulación

Figura 4.16. Lógica de la simulación de un lazo de control

Memoria

52

4.3. Descomposición del Problema de Control

Para que el sistema de control quede organizado y claro se han dividido en varias rutinas. Una de estas

partes es el control manual de los elementos, donde cada elemento tiene su propia rutina y se controla

individualmente, menos los elementos que se repiten a lo largo del proceso, que indexando estos

elementos se ha podido realizar el control con solo una rutina por tipo de elemento, ahorrando espacio

en código y haciéndolo más fácil de entender.

Otra parte es el control en automático. Esta parte tiene varias rutinas específicas para lograr el

funcionamiento de cada etapa en el orden adecuado. Para ello se ha creado una rutina de un Grafcet

con la que se sigue una secuencia que permite poner en marcha los elementos hasta conseguir que el

proceso funcione en estacionario. Otra rutina es el Grafcet de Paro donde sigue una secuencia para

parar todos los elementos en un orden específico hasta volver a las condiciones iniciales. Estos

Grafcet’s se controlan desde otra rutina, llamada MANDO. Esta rutina es con la que se ponen los

elementos en automático y se arma el sistema, se ponen los elementos en servicio. Se inicializan los

Grafcet’s y se ponen en marcha o se paran.

Por último, se ha hecho una rutina específica para el control PID que permite el control de los lazos de

control. Esta última rutina contiene tres módulos PID para controlar las tres válvulas reguladoras, y

estos módulos se accionaran en función de la etapa del Grafcet donde se esté.

4.4. Codificación de los Elementos y Sistemas

Cada elemento tiene sus propias señales, la identificación de estas señales viene con una codificación

acordada desde el principio del proyecto y que se utiliza a lo largo de éste.

Esta codificación se utiliza para la fácil identificación de la función y de la procedencia de la señal. A

continuación se describe esta codificación.

- X: son las señales que provienen de la planta.

- Y: son las señales que manda el PLC hacia la planta.

- E: son las señales que indican los estados de los elementos, son señales que salen del PLC y

que llegan al SCADA para éste sepa el estado de la planta. Estas señales se activan o se

desactivan en función de las señales que vienen de la planta, señales tipo X.

- C: son las señales que vienen del SCADA, en este caso son ordenes que se envían, por ejemplo,

para activar o desactivar elementos.


53

Figura 4.17. Esquema de la direccionalidad de las señales (Gámiz, Gámiz y Lluva, Sessions de

Laboratori 2016)

Además, hay dos letras que codifican funciones específicas dentro del PLC donde son necesarias la

creación de un tag.

- T: indica que el tag es un temporizador.

- C: indica que el tag es un contador.

Para una mejor comprensión de la codificación se muestra un ejemplo en la siguiente figura.

Figura 4.18. Esquema de la codificación de las señales

La codificación de las señales en el SCADA sigue el mismo patrón exceptuando los puntos que son

substituidos por guiones bajos ya que el software InTouch no los admite.

4.5. Definición del fichero de Intercambio Controlador-Scada

Este fichero es donde se organizan y definen todas las señales o tags de los elementos que se utilizan

en el proceso a automatizar, se especifican los tipos y cuales son de entrada o salida desde el PLC o el

SCADA.

FCV_01.E_AUTOMATIC Nombre

elemento

Procedencia de la señal

Descripción

de la función

Memoria

54

Tabla 7. Fichero de intercambio con los tags asociados al Compresor Soplador

Tipo Compresor-Soplante: CC_01 PLC SCADA

Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S

1 Estado con Alarmas E_ALARM BOOL 1 1

2 Estado Circuito de Frío OK E_COOLOK BOOL 1 1

3 Estado en Automático E_AUTOMATIC BOOL 1 1

4 Estado en Fuera de Servicio E_OSERVICE BOOL 1 1

5 Estado en Manual E_MANUAL BOOL 1 1

6 Estado en Marcha E_RUNNING BOOL 1 1

7 Estado en Servicio E_SERVICE BOOL 1 1

8 Estado Preparado para Funcionar E_READY BOOL 1 1

9 Estado Presión Oil OK E_OILOK BOOL 1 1

10 Potencia Eléctrica POWER REAL 1 1

11 Horas de Marcha RHOURS DINT 1 1

12 Horas Totales THOURS DINT 1 1

13 Orden de Parada Compresor C_STOP BOOL 1 1

14 Orden Marcha Compresor C_START BOOL 1 1

15 Orden Automático C_AUTOMATIC BOOL 1 1

16 Orden Manual C_MANUAL BOOL 1 1

17 Orden de Fuera de Servicio C_OSERVICE BOOL 1 1

18 Orden de Macha Compresor C_RUNNING BOOL 1 1

19 Orden de Reset C_RESET BOOL 1 1

20 Orden de Servicio C_SERVICE BOOL 1 1

21 Orden Marcha Circuito de Frío C_COOL BOOL 1 1

22 Orden Marcha Bomba de Aceite C_OIL BOOL 1 1

23 Orden Parada Compresor en Automático C_STOP_AUTO BOOL 1

24 Orden Marcha Circuito de Frío en Automático (MONOESTABLE) C_COOL_AUTO BOOL 1


55

Tipo Compresor-Soplante: CC_01 PLC SCADA


25 Orden Marcha Bomba de Aceite en Automático (MONOESTABLE) C_OIL_AUTO BOOL 1

26 Orden Marcha Compresor en Automático (MONOESTABLE) C_START_AUTO BOOL 1

27 Señal Analógica de entrada potencia eléctrica XPOWER REAL 1

28 Señal de Entrada Marcha Compresor XRUNNING BOOL 1

29 Señal de Entrada Alarma XALARM BOOL 1

30 Señal de Entrada Circuito de Frío OK XCOOL BOOL 1

31 Señal de Entrada Presión Oil OK XOIL BOOL 1

32 Señal de Salida Marcha Compresor YSTART BOOL 1

33 Señal de Salida Reset Alarmas YRESET BOOL 1

34 Señal de Salida Marcha Circuito de Frío YCOOL BOOL 1

35 Señal de Salida Marcha Bomba de Aceite YOIL BOOL 1

36 Temporizador Horas de Marcha T_HRUNNING TIMER

37 Temporizador Horas Totales T_HTOTAL TIMER

38 Contador Horas de Marcha C_HRUNNING COUNTER

39 Contador Horas Totales C_HTOTAL COUNTER

Memoria

56

Tabla 8. Fichero de intercambio con los tags asociados a la Válvula Reguladora

Tipo Válvula Reguladora: FCV_01, FCV_02, FCV_03 PLC SCADA


1 Alarma Posición A_POSITION BOOL 1 1

2 Consigna de Posición C_POSITION REAL 1 1






8 Consigna de Posición en Automático C_POSITION_AUTO REAL 1

9 Orden de Automático C_AUTOMATIC BOOL 1 1


11 Orden de Manual C_MANUAL BOOL 1 1

12 Orden En Servicio C_SERVICE BOOL 1 1

13 Orden Fuera de Servicio C_RESET BOOL 1 1

14 Señal de Salida Posición YPOSITION REAL 1

15 Señal de Salida de Reset YRESET BOOL 1

16 Temporizador de Reset T_RESET TIMER

17 Temporizador de Cerrado T_CLOSE TIMER

18 Temporizador de Abierto T_OPEN TIMER


57

Tabla 9. Fichero de intercambio con los tags asociados a los Transmisores indicadores

Tipo Transmisores indicadores: OIT_01, TIT_01, TIT_02, FIT_01, FIT_02, FIT_03, FIT_04, FIT_05,

FIT_06, PIT_01

PLC SCADA

Item Descripción Tag señal

Tipo E E/S S E E/S S

1 Alarma error equipo E_ALARM BOOL 1 1

2 Medida MINS REAL 1 1

3 Señal de Medida XMINS REAL 1

4 Alarma error equipo XALARM BOOL 1

Memoria

58

Tabla 10. Fichero de intercambio con los tags asociados a los Motores Simples

Tipo Motor Simple: BC_01, BC_02, BC_03, BC_04, FAN PLC SCADA







6 Estado en Macha E_RUNNING BOOL 1 1

7 Orden Parada en Automático C_STOP_AUT BOOL 1 1

8 Orden Parada C_STOP BOOL 1 1






14 Orden Marcha C_START BOOL 1 1

15 Orden Marcha en Automático C_START_AUT BOOL 1

16 Señal de entrada Alarma XALARM BOOL 1

17 Señal de entrada Marcha Motor XRUNNING BOOL 1


19 Señal de Salida Marcha Motor YSTART BOOL 1

20 Señal de Salida Parada Motor YSTOP BOOL 1

21 Temporizador de pulso de Reset T_RESET TIMER

22 Temporizador de Alarma Confirmación T_START TIMER


59

Tabla 11. Fichero de intercambio con los tags asociados a las Válvulas Todo/Nada

Tipo Válvula todo/nada: V_01, V_02, V_03, V_04, V_05, V_06

PLC SCADA



2 Orden Cerrar C_CLOSE BOOL 1 1

3 Orden Cerrar en Automático C_CLOSE_AUT BOOL 1 1


5 Orden Abrir C_OPEN BOOL 1 1

6 Orden Abrir en Automático C_OPEN_AUT BOOL 1 1


8 Orden Fuera de Servicio C_FSERVEI BOOL 1 1

9 Orden En Servicio C_SERVEI BOOL 1 1



12 Estado Cerrada E_CLOSED BOOL 1 1


14 Estado Abierta E_OPEN BOOL 1 1



17 Alarma Posición A_POSICIO BOOL 1 1

18 Estado Final de Carrera Abierta E_FCO BOOL 1 1

19 Estado Final de Carrera Cerrada E_FCT BOOL 1 1

20 Señal Final Carrera Abierta XOPEN BOOL 1

21 Señal Final Carrera Cerrada XCLOSED BOOL 1

22 Señal Alarma Eléctrica XALARM BOOL 1

23 Señal Orden de Abrir YOPEN BOOL 1

24 Señal Orden de Cerrar YCLOSE BOOL 1

Memoria

60

Tipo Válvula todo/nada: V_01, V_02, V_03, V_04, V_05, V_06

PLC SCADA


25 Señal Reset YRESET BOOL 1

26 Temporizador Abrir T_CLOSE TIMER

27 Temporizador Cerrar T_OPEN TIMER

28 Temporizador Señal de Reset T_RESET TIMER


61

Tabla 12. Fichero de intercambio con los tags asociados a la Turbina

Tipo Turbina: T_01 PLC SCADA Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S


2 Estado Circuito de Refrigeración OK E_COOLOK BOOL 1 1




6 Estado en Marcha E_RUNNING BOOL 1 1


8 Estado Preparado para Funcionar E_READY BOOL 1 1

9 Estado Presión Oil OK E_OILOK BOOL 1 1

10 Velocidad de Rotación (RPM) RPM REAL 1 1

11 Presión (BAR) BAR REAL 1 1

12 Temperatura (⁰C) TEMP REAL 1 1

13 Horas de Marcha RHOURS DINT 1 1

14 Horas Totales THOURS DINT 1 1

15 Orden de Parada Turbina C_STOP BOOL 1 1

16 Orden Marcha Turbina C_START BOOL 1 1

17 Orden Automático C_AUTOMATIC BOOL 1 1



20 Orden de Macha Turbina C_RUNNING BOOL 1 1



23 Orden Marcha Circuito de Refrigeración C_COOL BOOL 1 1

24 Orden Marcha Bomba de Aceite C_OIL BOOL 1 1

25 Orden Parada Turbina en Automático C_STOP_AUTO BOOL 1

Memoria

62

Tipo Turbina: T_01 PLC SCADA Item Descripción Tag señal Tipo E E/S S E E/S S

26 Orden Marcha Circuito de Refrigeración en Automático (MONOESTABLE) C_COOL_AUTO BOOL 1

27 Orden Marcha Bomba de Aceite en Automático (MONOESTABLE) C_OIL_AUTO BOOL 1

28 Orden Marcha Turbina en Automático (MONOESTABLE) C_START_AUTO BOOL 1

29 Señal Analógica de Velocidad de rotación (RPM) XVELOCIDAD REAL 1

30 Señal Analógica de Presión (BAR) XBAR REAL 1

31 Señal Analógica Temperatura (⁰C) XTEMP REAL 1

32 Señal Sensor Detector de desplazamientos del Eje XSENS BOOL 1

33 Señal de Entrada Marcha Turbina XRUNNING BOOL 1

34 Señal de Entrada Alarma XALARM BOOL 1

35 Señal de Entrada Circuito de Refrigeración OK XCOOL BOOL 1

36 Señal de Entrada Presión Oil OK XOIL BOOL 1

37 Señal de Salida Marcha Turbina YSTART BOOL 1


39 Señal de Salida Marcha Circuito de Regrigeración YCOOL BOOL 1

40 Señal de Salida Marcha Bomba de Aceite YOIL BOOL 1

41 Temporizador Horas de Marcha T_HRUNNING TIMER

42 Temporizador Horas Totales T_HTOTAL TIMER

43 Contador Horas de Marcha C_HRUNNING COUNTER

44 Contador Horas Totales C_HTOTAL COUNTER


63

Tabla 13. Fichero de intercambio con los tags asociados al Generador

Tipo Generador: G_01 PLC SCADA







6 Estado en Macha Generador E_RUNNING BOOL 1 1

7 Señal de Potencia Eléctrica (MW) POWER BOOL 1 1

8 Orden Parada Generador en Automático C_STOP_AUTO BOOL 1 1

9 Orden Parada Generador C_STOP BOOL 1 1






15 Orden Marcha C_START BOOL 1 1

16 Orden Marcha en Automático C_START_AUTO BOOL 1

17 Señal de entrada Alarma XALARM BOOL 1

18 Señal de entrada Marcha Generador XRUNNING BOOL 1

19 Señal Analógica Potencia (MW) XPOWER REAL 1

20 Señal de Salida Marcha Generador YSTART BOOL 1


Memoria

64

4.6. Programa del Controlador

En este apartado se presentará más a fondo todo el programa que controla al sistema. Se verá la

estructura del programa, los tipos de datos creados para los elementos, la lógica y la secuencia de

control y las regulaciones de los lazos de control a través de los módulos PID con los valores utilizados

en la sintonización.

4.6.1. Estructura del Programa

La estructura del programa se basa en tres grandes bloques, el manual, el automático y la simulación.

Cada uno de ellos consta de varias subrutinas que hacen más fácil el entendimiento de la estructura.

En el primer bloque, llamado “MainProgram”, es donde se programa el control y el comportamiento

de los elementos en modo manual. Cada tipo de elemento tiene su propia subrutina para facilitar la

identificación del código de cada elemento dentro de la estructura del programa.

El segundo bloque, llamado “Control_Auto”, es donde se programa el control en automático de la

planta. Para ello hay varias subrutinas programadas. Dos de ellas son Grafcets, uno que inicia el sistema

y lo lleva hasta su funcionamiento estacionario, el otro es uno que lleva el sistema al paro total del

sistema hasta que llega a sus condiciones iniciales. También está la subrutina “MANDO”, desde la cual

se programa el control del sistema, donde el sistema se pone en servicio y automático, o se inicializan,

se ponen en marcha o se paran los Grafcets. Por última en este bloque, se tiene la subrutina donde

están programados los módulos PID, sus condiciones de funcionamiento y su configuración.

El último bloque, llamado “Simulación”, es donde se programa el comportamiento de la planta. Esta

subrutina está explicada en profundidad en el apartado 4.2 de este proyecto. Este bloque forma parte

de la programación porque la simulación está embebida dentro del PLC simulando el comportamiento

real de la planta.

En la siguiente figura se muestra la estructura de los tres bloques, explicados anteriormente, en el árbol

de navegación creada en el controlador.


65

Figura 4.19. Estructura del programa

4.6.2. Definición de los Tipos de Datos

El controlador RSLogix permite la creación de tipos de datos personalizados, es una manera muy útil

de ahorrar tiempo en la creación de los tags de los elementos.

Se han creado siete tipos de datos que corresponden a todos los tipos de elementos que se encuentran

en la planta a automatizar. Éstos permiten crear todas las señales necesarias que un elemento necesita

para su control. De tal manera que no hace falta crear individualmente cada tag para cada elemento

con cada señal, sino que solo se asociará el nombre del tag de un elemento con el tipo de dato

correspondiente, asociándole automáticamente todas las señales propias de ese elemento.

Todas las señales asociadas a cada tipo de elemento son las señales definidas en el apartado 4.5 donde

se muestra el fichero de intercambio entre el controlador y el SCADA.

A continuación se muestra la lista de los tipos de datos y su asociación en el controlador.

Memoria

66

Figura 4.20. Data Types tipo User-Defined en el programa

Figura 4.21. Data Type tipo Válvula Reguladora, FCV

En la siguiente figura se puede ver como en el “Control Tags” del controlador se ha creado una

variable correspondiente a un elemento del proceso y que asociándole un Data Type de un elemento

se le generan las señales asociadas a ese.


67

Figura 4.22. Tag de un elemento asociado a un Data Type

4.6.3. Lógica de Control de los Elementos

Para el control de los elementos se han creado subrutinas para cada tipo de elemento, éstas se llaman

desde la rutina principal del programa. Los elementos del mismo tipo, para poder utilizar la misma

rutina de control en varios elementos, se llaman con saltos de subrutina (JSR) con entrada de

parámetros, estas entradas son el nombre de la variable de cada elemento. Las subrutinas están

creadas como genéricas y la manera de pasar los parámetros es colocando la instrucción “subrutine”

(SBR) al principio y la instrucción “Return from Subrutine” al final para que devuelva los valores. Es

decir, cada vez que se da una orden a algún elemento, este se pasa como parámetro a la rutina genérica

y retorna los valores en función de los estados en que estuviese ese elemento.

Figura 4.23. Indexado en Main Routine

Memoria

68

Figura 4.24. Paso de parámetros con SBR y RET

La activación de los estados de las señales es algo común entre todos los elementos. Por lo tanto los

estados manual/automático o en servicio/fuera de servicio se activan de la misma manera en todos

los elementos.

Figura 4.25. Ejemplo de activación de los estados de los elementos

Las señales de marcha y paro que se envían a la planta, de tipo Y, se dan en los elementos tipo Motor,

el Compresor Soplador y la Turbina. Son muy parecidas entre sí, pero tiene diferentes condiciones de

encendido o apagado según el elemento que se esté controlando.


69

Figura 4.26. Ejemplo de Start y Stop en el Compresor Soplador

Otras características de los elementos son las ordenes de apertura o cierre de las válvulas Todo/Nada.

Cuando se cumplan las condiciones y se dé la orden se enclava un temporizador de 10 s, que mientras

esté activo, se está dando una señal hacia la planta (señal tipo Y) de apertura (V.YOPEN), cuando desde

la plante se dé la señal (V.XOPEN) y el temporizador haya finalizado se ponen en latch las señales de

final de carrera (V.E_FCO) y estado abierto (V.E_OPEN).

Figura 4.27. Ejemplo de Open y Closed en las Válvulas Todo/Nada

Memoria

70

Las señales que provienen de la planta (señal tipo X), activan estados dentro del PLC los cuales también

pueden ser condiciones para otro estado. Estas señales también dan las alarmas que vienen de la

planta que pasan a ser estados (señales tipo E).

Figura 4.28. Ejemplo señales de planta

Existen otras condiciones que implican el estado en alarma que no sean exclusivamente una señal

desde la planta. En el siguiente ejemplo se puede ver que la alarma se conecta cuando el temporizador

de la señal de Start ha acabado y todavía no está en running el elemento, o se está enviando la señal

de Stop pero sigue en running o directamente desde la planta.

Figura 4.29. Ejemplo activación del estado de alarma de un elemento

Por último, se muestra la función de la orden de Reset. Común en todos los elementos para desactivar

las alarmas a nivel individual que puedan tener los elementos. Cuando se dé la orden se activará un

temporizador que se enclava para que la señal de Reset actúe durante un tiempo, está señal se fuerza

durante un tiempo para asegurar que la planta la reciba y la procese. En la figura se muestra como esta

señal de Reset hace Unlatch a los estados de alarma y pone a 0 las consignas de posición de las válvulas

reguladoras y una variable auxiliar.


71

Figura 4.30. Ejemplo activación del Reset de un elemento

El Compresor Soplador y la Turbina se les han programado unos temporizadores y contadores con los

cuales se controlan las horas de Marcha como las horas totales de funcionamiento (En servicio). La

percepción del tiempo se ha programado para que 5 s reales sean 1 h en la simulación. Estos tiempos

son muy útiles a la hora de hacer tareas de mantenimiento.

Figura 4.31. Ejemplo Temporizador Horas Marcha

Todas las imágenes mostradas en este apartado son una pequeña muestra para mostrar el

funcionamiento del control de los sistemas. Toda la lógica sobre el control se encuentra enteramente

disponible en los anexos.

Memoria

72

4.6.4. Lógica de Control de los Sistemas

El control de sistemas en este proyecto se ha definido como “Control_Auto”, es el modo Automático

del sistema. Este sistema se ha dividido en varias subrutinas, el “MANDO”, desde el que se realiza el

control del sistema en Automático. Los Grafcets de control, tanto el de inicio que lleva el sistema a la

generación de energía como el que lo para y lo lleva a las condiciones iniciales. Y por último, la subrutina

“PID”, donde están los módulos PID de los tres lazos de control.

Figura 4.32. Main Routine de Control_Auto

La subrutina con la que se controla el sistema en modo Automático, como ya se ha dicho, es la de

“MANDO”. En la siguiente figura se muestra las órdenes de Marcha, Paro y Reset del sistema

Automático. El Reset inicializa los Grafcets en la etapa 0 si el sistema se encuentra “Armado”, es decir

todos los elementos en servicio, y en Automático, todos los elementos también. La orden de Marcha,

si el sistema se encuentra en condiciones iniciales, habilita un bit de Ciclo, que permite que las Etapas

del Grafcet avancen si las condiciones se cumplen. Y la orden de Paro, pone a 0 la palabra de Grafcet,

pone a latch un bit de paro y hace unlatch al bit de Ciclo.


73

Figura 4.33. Ordenes de la subrutina Mando

4.6.5. Secuencia de Control

Las subrutinas de Grafcets están divididas en dos partes, la primera se programan las transiciones entre

las etapas con las condiciones requeridas, la segunda parte es donde se ejecutan las acciones de cada

una de las etapas.

En la parte de transiciones, cuando las condiciones de transición se cumplen se hace unlatch de la etapa

activa y se hace latch a la siguiente. De esta manera, cuando se van cumpliendo las condiciones el

Grafcet va avanzando a través de las etapas.

La parte de las acciones, es cuando una etapa está activa y se le asocia una acción, ésta se ejecuta

mientras no se cumplan las condiciones de transición de la siguiente etapa.

De esta manera se pueden ordenar una secuencia de acciones en un orden específico para conseguir

que el proceso se ejecute de la forma correcta.

Memoria

74

Figura 4.34. Transiciones de las Etapas 1 a 4 de la subrutina Grafcet_PID

Figura 4.35. Acciones de las Etapas 1 a 4 de la subrutina Grafcet_PID


75

4.6.6. Regulaciones PID

Las regulaciones PID nos permiten controlar las señales analógicas del sistema. Estás regulaciones con

PID se utilizan en los modos Automático porque el PID es capaz de regular las señales analógicas al

valor deseado por sí solo. El módulo PID realiza un control en ciclo cerrado, el cual nos mide la respuesta

en la salida (Control Process) y nos adapta la entrada (Control Variable) en función de la consigna (Set

Point) que se tenga.

Figura 4.36. Regulación PID (Automation, PID Control Logix RSLogix 5000 s.f.)

Esta regulación se consigue configurando los parámetros que caracterizan la ecuación de regulación

de PID, éstos son KP, KI y KD. Para poder ajustar los valores de estos parámetros se ha seguido los pasos

que se encuentran en los apuntes relacionados con el PID que el director del proyecto me ha facilitado

y también el ensayo y error para poder ajustar esta regulación lo más cercano a la consigna posible.

En este proyecto se han realizado tres regulaciones PID para el control de ciertos valores analógicos

clave para el control del sistema. Estos valores son la temperatura de la caldera, el exceso de aire en la

caldera y la generación de energía eléctrica. El control de estos valores se hace mediante la apertura

de las válvulas reguladoras (CV) que influyen en estas variables del proceso (PV) y el PID es el encargado

de la apertura o cierre de éstas de manera automática.

Tabla 14. Parámetros de los PID

Parámetros PID Tipos KP KI KD

PID TEMPERATURA 4,3 2,5 1,0

PID EXCESO AIRE 4,0 0,6 0,2

PID ENERGÍA 4,0 2,0 1,0

Memoria

76

Los parámetros están asociados a una determinada consigna, que es la ideal para el proceso. Si esa

consigna varia, los parámetros obtenidos no serán del todo bueno para la regulación de esa nueva

consigna. Las consignas con las que se han obtenido estos parámetros son: 1300 °C para la temperatura

en la caldera, 1.3 % de exceso de aire y 3 MW de generación de energía.

Estos parámetros se consiguen modificándolos en la ventana de configuración que se abre cuando se

hace clic en el módulo.

Figura 4.37. Configuración Parámetros PID

La consigna (SP) que se puede modificar desde el SCADA llega al PLC para introducirlas en los módulos

PID. La lectura de estas consignas se realizan cada segundo y como vienen en formato String se realiza

la conversión hacia uno tipo Real.


77

Figura 4.38. Lectura de Consignas

Los módulos PID, y por lo tanto su regulación, solo estarán habilitados en determinadas Etapas del

Grafcet.

Figura 4.39. PID Exceso de aire

Figura 4.40. PID Biomasa

Memoria

78

Figura 4.41. PID Vapor

4.7. Programa del Software SCADA

En este apartado se detalla el diseño de la aplicación SCADA para el sistema a automatizar. Se explica

la navegación por la aplicación, las pantallas, los comandos de control y otros aspectos importantes

sobre el diseño.

4.7.1. Árbol de Navegación

Para entender un poco mejor la navegación entre las pantallas principales de la aplicación SCADA se

ha realizado un esquema donde se puede apreciar el árbol de navegación. En este esquema se puede

apreciar dos candados, los cuales indican que su acceso está restringido.

Una vez se inicia sesión, se accede a la pantalla principal. En esta pantalla se podrá abrir la pantalla de

control o los comandos individuales de los elementos si el usuario tiene acceso, sino solo podrá abrir

las pantallas de Alarmas y el Gráfico de Históricos. Desde la pantalla de Control se podrán abrir las

pantallas donde se ve al detalle las diferentes etapas del proceso.

Las flechas negras indican que se puede navegar horizontalmente dentro del nivel mismo nivel

jerárquico, sin tener que volver al nivel anterior para abrir la pantalla deseada.


79

Figura 4.42. Árbol de Navegación

4.7.2. Definición de los Tipos de Datos

Los tags que se han utilizado para la aplicación SCADA han sido los necesarios para el control y la

supervisión del proceso. Éstos, como se tienen que asociar con tags del PLC se ha seguido la misma

estructura, exceptuando por los puntos que se han substituido por un guion bajo porque la aplicación

InTouch no los admite.

Para que estos tags se puedan comunicar con el PLC, en la creación de los tags se tiene que configurar

con el protocolo de comunicación DDE y el tipo de dato tiene que ser I/O. Los tipos utilizados para este

proyecto son los siguientes:

- I/O Discrete: se utiliza para los estados y las ordenes de los elementos que se utilizan para la

comunicación SCADA-PLC

- I/O Real: se utiliza para visualizar los valores de los sensores, como la temperatura, el exceso

de aire, etc.

- I/O Integer: se utiliza para visualizar la temporización de las horas de marcha de los elementos

o las palabras de los Grafcet.

- I/O Message: se utiliza para comunicar las consignas escritas en el SCADA y las reciba el PLC.

- Indirect Discrete: se utiliza en la indexación de los tags para poder utilizar una solo ventana por

tipo de elemento.

Memoria

80

A continuación se muestra el proceso de creación de un tag en la aplicación SCADA.

Figura 4.43. Creación de Tags

En el caso de que el tag sea para un estado de alarma es necesario cambiar el grupo del tagname a uno

que se haya creado específicamente para un tipo de alarmas.

Figura 4.44. Tag de Alarma

En el caso de que el tag se utilice para la visualización en un gráfico histórico es necesario que se active

la función Log Data desde el Tagname Dictionary.


81

Figura 4.45. Configuración de un tag para representación en Gráfico Histórico

4.7.3. Diseño de las Pantallas de la Aplicación

Todas las pantallas tienen una barra arriba con el título de la pantalla, un reloj con la fecha y la hora, y

una inferior desde donde se puede acceder desde botones a otras pantallas o desplazarse con flechas

entre ellas.

Como se ha visto en el árbol de navegación la primera pantalla que se muestra en la aplicación después

de que se inicie sesión es la pantalla principal. En esta primera pantalla se puede ver el sinóptico de

todo el sistema.

Los elementos en esta pantalla muestran los datos más significativos, como las aperturas de las

válvulas, los caudales o los estados de en marcha o en alarma. En la mitad de la pantalla hay una

pequeña ventana donde se pueden visualizar las últimas alarmas que se han activado. También se

puede visualizar el Usuario que se ha conectado a la aplicación y un botón para cerrar sesión.

Desde la pantalla principal se pueden acceder a varias pantallas directamente o desplazándose entre

ellas con las flechas. Dos de ellas son la de Información del Sistema y otra la del Autor. Además se

puede acceder a las pantallas de Control, si el Usuario tiene acceso, a la de Alarmas o al Gráfico

Histórico.

También, desde esta pantalla, si se hace clic en los elementos, se abren las ventanas de comandos de

éstos. Solo se podrán acceder a estas ventanas si el Usuario tiene acceso.

Memoria

82

Figura 4.46. Pantalla Principal del Sistema

Como se ha dicho anteriormente, desde la pantalla Principal se puede acceder al Control del Sistema,

siempre y cuando el Usuario tenga acceso.

En esta pantalla se puede visualizar todo lo necesario para el control del sistema. Se visualizan los

posibles estados que puede tener el sistema. Hay una zona de comandos donde están los botones, con

ellos se controla la puesta en marcha y el paro del sistema. Otra zona es donde se introducen las

consignas de control, la temperatura de la caldera, el exceso de aire y la energía generada. Hay una

zona donde se ve un Grafcet del Sistema que va señalando la etapa en la que se encuentra el proceso.

También tenemos otra ventana donde se ven las alarmas del proceso. Luego tenemos un resumen con

información de varios datos del proceso separados por etapas de sistema. Desde cada etapa del

sistema mostrado, si se hace clic, se puede acceder a las pantallas de los sistemas donde se ven en

detalle.


83

Figura 4.47. Pantalla de Control del Sistema

Las pantallas que muestran en detalle las etapas del sistema, tienen un pequeño sinóptico con el

proceso en cuestión y varias gráficas en tiempo real que muestran información de los sensores, los

caudales o el nivel de agua en el tanque. En estas pantallas hay unas flechas que permitirán la

navegación entre las diferentes pantallas.

Memoria

84

La primera pantalla con información de las etapas del sistema, es la que muestra la alimentación del

combustible a la caldera. Los gráficos que se muestran son los % de apertura de las FCV_01 y FCV_02

y las caudales FIT_01 y FIT_02.

Figura 4.48. Pantalla Alimentación de la Caldera


85

La seguna pantalla de las etapas muestra al detalle la caldera. Los gráficos que aparecen muestran los

datos del exceso de aire (OIT_01) y la temperatura en la caldera (TIT_01).

Figura 4.49. Pantalla Caldera de Combustión

Memoria

86

La tercera pantalla muestra el almacenamiento del vapor. Los gráficos muestran la presión del vapor

(PIT_01) y su temperatura (TIT_02).

Figura 4.50. Pantalla de Almacenamiento de Vapor


87

La cuarta pantalla muestra el proceso de generación de energía eléctrica. Se muestra el sinóptico de

esta etapa con la válvula que regula el vapor y la turbina. Los gráficos muestran el % de apertura de la

FCV_03, el caudal FIT_03 y la energía generada en la turbina-generador.

Figura 4.51. Pantalla de Generación de Energía

Memoria

88

Por último, la pantalla de la etapa donde se almacena el agua que se utiliza para la producción de vapor.

En el sinóptico se ve el tanque con un indicador del nivel de éste y los grupos de válvula-bomba que

introducen agua a la caldera y otra que la devuelve al tanque. Los gráficos muestran los caudales de

entrada y salida del tanque de agua y también el nivel de agua.

Figura 4.52. Pantalla de Tanque de Agua


89

4.7.4. Diseño de los Comandos

Además de la pantalla de Control de Sistema, hay pantallas desde donde se pueden controlar

individualmente los elementos y visualizar sus estados. Estas pantallas se pueden abrir desde la

pantalla principal haciendo clic sobre los elementos o desde las pantallas de las etapas del sistema.

Éstas estarán disponibles siempre que el Usuario tenga acceso a ellas. En la zona de los estados, estarán

en gris si no están activos y en negro si lo están. La parte de los comandos, tienen los botones

necesarios para el control de cada elemento. En la parte inferior hay un botón para salir de la pantalla.

A continuación se muestran las pantallas de comandos de cada tipo de elemento:

El primer tipo de pantalla es la que nos permite controlar el Compresor Soplador y la Turbina. En ella

aparte de los estados y comandos, se puede ver los contadores de las horas en marcha y totales.

Además se ve puede ver los enclavamientos de los sistemas de presión de aceite y el circuito de frío.

Figura 4.53. Pantalla Comandos Compresor Soplador y Turbina

Memoria

90

La siguiente pantalla, es la que identifica el control de los Motores del sistema. Estas son las que

controlan las bombas centrífugas y el ventilador de humos de la caldera.

Figura 4.54. Pantalla Comandos Bombas Centrífugas y Ventilador de Humos


91

Seguimos con las pantallas de comandos de las válvulas, tanto las reguladoras y las de On/Off. En estas

pantallas los estados son un poco diferentes. Se muestran si están abiertas o cerradas y en el caso de

las válvulas reguladoras tienen un apartado donde se puede regular el % de apertura de la válvula.

Figura 4.55. Pantalla Comandos Válvulas Reguladoras

Memoria

92

Figura 4.56. Pantalla Comandos Válvulas On/Off

Gracias a la indexación de los tags con solo una pantalla por tipo de elemento se pueden controlar

todos. Cada vez que se clica en un elemento del mismo tipo, en la parte superior donde se encuentra

el título, cambia el elemento y se puede control éste nuevo.

4.7.5. Scripts

En este proyecto se han utilizado algunos scripts necesarios para que la aplicación funcione de acuerdo

a los requisitos funcionales y de diseño.

La aplicación tiene varios scripts escritos en “Application Script” utilizados para los inicios de sesión y

las restricciones en función del nivel de acceso. Otro script necesario es para que el Gráfico Histórico

se pueda inicializar con la fecha y hora de activación de la aplicación y otro para que se vaya

actualizando.

Otros scripts utilizados son para regular el acceso al botón Control de la pantalla Principal para que solo

esté activo cuando el nivel de acceso sea válido. También es necesario un script para la indexación de

los elementos. Estos scripts están en las pantallas de comandos de control de los elementos que se

utilizan más de una vez en el sistema.


93

Figura 4.57. Application Script en While Running

Figura 4.58. Script Botón Control

Memoria

94

Figura 4.59. Script Elemento Válvula Reguladora

4.7.6. Diseño de la Interfaz de Alarmas del Sistema

El diseño de la estructura de la pantalla de Alarmas sigue al de otras de la aplicación. Se puede navegar

hacia otras pantallas desde la barra inferior y en la superior está un reloj y el título con el nombre de la

pantalla.

La pantalla cuenta con un gestor de alarmas donde se pueden visualizar las alarmas que se han activado

mientras la aplicación haya estado activa. Además hay un botón para el reconocimiento de las alarmas.

Para hacer un reset de las alarmas activas se tendrá que ir a la pantalla de comandos de ese elemento

para poder hacerlo. El botón de Reconocimiento está restringido a Usuarios habilitados.

El código de colores de las alarmas será el siguiente:

- Alarmas activas: aparecerán en rojo en la lista.

- Alarmas reconocidas: aparecerán en negro cuando se pulse el botón de reconocimiento.

- Alarmas desactivadas: cuando se haga un reset de las alarmas, éstas pasaran a un color azul.


95

Figura 4.60. Script Elemento Válvula Reguladora

4.7.7. Gestión de Usuarios

Como se dijo en el apartado de requisitos de diseño, se ha creado en la aplicación SCADA una gestión

de usuarios. Hay dos usuarios habilitados con acceso a la aplicación, uno es “Administrator” con

contraseña 1234 y otro “Operator” con contraseña 5678.

El administrador tiene acceso a todas las pantallas y elementos, puede controlar todo el sistema.

Además, cuando este usuario esté conectado tendrá disponible el botón de “CONGIG. USUARIO” en la

pantalla principal, desde el cual podrá crear usuarios, modificar perfiles y cambiar contraseñas. En

cambio, el operador solo podrá visualizar el sistema, no tendrá en ningún caso control sobre él.

Al iniciar la aplicación SCADA la primera pantalla que aparece es la de inicio de sesión, nos aparece un

botón de “LOGIN” cuando hacemos clic se nos abre una ventana donde podremos introducir el usuario

y la contraseña, si la damos a aceptar y los datos introducidos son correctos en la pantalla de inicio de

sesión nos aparecerá un nuevo botón “IR A PRINCIPAL” que nos llevará a la pantalla Principal.

Memoria

96

Figura 4.61. Inicio se sesión paso 1



97


Figura 4.64. Detalle de la visualización de los usuarios

Como se puede ver en la Figura 4.64 hay un botón de “LOGOUT” el cual permite cerrar sesión y volver

a la pantalla de inicio de sesión.

A continuación, se muestran los scripts relacionados con los botones de “LOGIN”, “LOGOUT” y

“CONFIG. USUARIO”.

Memoria

98

Figura 4.65. Script botón Login

Figura 4.66. Script botón Logout


99

Figura 4.67. Script botón Configuración Usuario

4.7.8. Gráficos históricos y tendencias

En la pantalla del Gráfico de históricos se ha representado un gráfico de históricos con una barra que

ayuda a mover a lo largo del tiempo por el gráfico.

En este gráfico se ven representadas las variables más importantes del proceso, se cuenta con las

leyendas de éstas, donde se puede visualizar el tag y el valor actual de la variable, y si se hace clic,

cambia la escala en el gráfico para poder visualizar esa variable en su escala de valores.

Memoria

100

Figura 4.68. Pantalla Gráfico de Históricos


101

5. Pruebas y Resultados

En este apartado se explican las pruebas realizadas al sistema para la verificación de su funcionamiento

y si responde a los requisitos.

5.1. Diseño de las pruebas de Entradas y Salidas físicas

Este proyecto al ser una simulación de un proceso no hay señales físicas como tal, pero la programación

se ha realizado lo más parecido a la realidad y se han simulado unas señales equivalentes a éstas.

Estas entradas y salidas tienen si propia rutina dentro del programa donde se transfiere el valor de esas

señales físicas simuladas a una variable con la que se trabaja dentro del PLC.

Para probar estas señales físicas se ha hecho “Toggle Bit”, es decir, se ponen a 1 lógico, para ver si se

refleja a la variable equivalente dentro del PLC y la programación reacciona a ese cambio de estado.

Una vez hecho eso, se verifica que la programación active las señales que van a ir hacia la planta.

5.2. Diseño de las pruebas de Funcionalidad

Para las pruebas de funcionalidad se ha utilizado una herramienta del propio controlador, las “Trends”,

esta herramienta es muy útil para verificar que las variables analógicas lleguen al valor deseado.

También se ha utilizado para la configuración de los PID donde hay que ir variando los parámetros y

ver el comportamiento de las variables.

Memoria

102

Figura 5.1. Trend Energía Generada y SP PID Energía

5.3. Diseño de las pruebas entre Controlador y SCADA

Las pruebas entre Controlador y SCADA, se han basado en la verificación de la comunicación entre

ellos. Para eso, se ha creado un tag “COM_OK” que se ha asociado al SCADA con el mismo nombre.

En el PLC se programa que ese tag se active desde la tarjeta de entradas y en el SCADA se asocia el tag

a que se ilumine una luz.

La activación desde el PLC se realiza desde el RSLogix Emulate, donde desde la tarjeta de entradas se

activa la entrada asociada. Si la comunicación se ha configurado correctamente se encenderá la luz en

el SCADA.

A partir de ese momento, se puede trabajar desde el SCADA y hacer pruebas generales de la

funcionalidad del proceso del sistema.


103

6. Normativa

En este apartado se explica que normativa se ha utilizado para el desarrollo de este proyecto. El uso de

normativas es necesario para que el proyecto se base en unos estándares tanto en la programación de

PLC y el diseño y programación de la aplicación SCADA. De esa manera se hace fácil de interpretar por

otras personas del mismo ámbito de aplicación.

6.1. Codificación e Identificación

A la hora de la codificación y la identificación de elementos se ha seguido la norma ISA S5.5. Ésta se ha

utilizado en la diseño del PI&D (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) para la selección de símbolos

gráficos y visualización del proceso.

6.2. Implementación del Programa del PLC

El estándar seguido para el programa del PLC ha sido el IEC 61131 que se crea para buscar un estándar

en la automatización industrial. En concreto para este proyecto se ha utilizado el estándar IEC 61131-

3 que se centra en la normalización del lenguaje de programación industrial, como es el Ladder, para

definir unas reglas sintácticas y semánticas, los conjuntos básicos de la programación de elementos,

etc.

6.3. Programación del SCADA

Para el diseño de la aplicación SCADA se ha realizado conforme a la guía ergonómica de diseño de

interfaz GEDIS. Esta guía ofrece unos métodos por los cuales se obtenga un diseño agradable tanto

visual como ergonómicamente al usuario.

Esta guía hace referencia a 10 indicadores para el diseño de la interfaz: Estructura, distribución,

navegación, color, texto, estado de los dispositivos, valores del proceso, gráficos y tablas, comandos

de entrada de datos y alarmas.

Memoria

104

7. Análisis del impacto ambiental

La biomasa es la única fuente de energía que aportaría un balance de CO2 favorable, siempre y cuando

la obtención de la biomasa se realice de una forma renovable y sostenible, de manera que el consumo

del recurso se haga más lentamente que la capacidad de la Tierra para regenerarse. De esta manera,

la materia orgánica es capaz de retener durante su crecimiento más CO2 del que se libera en su

combustión, sin incrementar la concentración de CO2.

Aunque el potencial energético existente en el planeta sería suficiente para cubrir todas las

necesidades energéticas, esta no se puede utilizar en su totalidad, ya que exigiría el aprovechamiento

a gran escala de los recursos forestales. Esto haría imposible mantener el consumo por debajo de la

capacidad de regeneración, lo cual reduciría muy considerablemente la energía neta resultante y

conduciría a un agotamiento de dichos recursos a la vez que daría lugar a efectos medioambientales

negativos. Los efectos producidos serian tales como la deforestación y el aumento notable de

emisiones de CO2, lo que implicaría una contribución al cambio climático.

Por todo lo explicado anteriormente, es más común escuchar que la biomasa es una fuente de energía

con un balance 0 en emisiones de CO2. Porque la regeneración de los recursos forestales es capaz de

contrarrestar las emisiones de CO2 producidas por la generación de energía por la combustión de

biomasa.


105

Conclusiones

Una vez acabado el proyecto, se pueden extraer varias conclusiones que han ido saliendo a lo largo de

la realización de este proyecto.

Al finalizar el proyecto se puede decir que los objetivos propuestos al principio de éste, se han

cumplido. Se ha comprendido lo complejo que puede llegar a ser un proceso de automatización de un

sistema de generación de energía eléctrica.

Es la primera vez que realizo un proyecto de estas dimensiones para la automatización de un proceso,

con una cantidad elevada de elementos, con sus respectivas señales, y un proceso tan complejo. Se

puede decir que ha sido un reto la finalización de éste.

Una de las partes para mi más complicadas ha sido la parte de la simulación, es una cosa que no había

hecho nunca y he podido aprender a lo largo de este proyecto como simular diversos procesos y

comportamientos de los elementos. He de decir que me ha hecho especial ilusión ver que al final las

cosas salían y la simulación cumplía con los objetivos marcados. Otra parte importante ha sido la parte

automática, donde he aprendido una manera óptima para trasladar las secuencias de control al

lenguaje de programación.

Una parte muy importante en este proyecto ha sido la búsqueda de información. Ha supuesto un reto

encontrar información veraz sobre la generación de energía mediante la combustión de Biomasa. Es

una tecnología todavía no muy extendida y no existe demasiada información técnica sobre el proceso.

La información encontrada ha sido fundamental en entender el proceso y poder simular lo más

realistamente posible el comportamiento de la planta.

Algunas posibles mejoras que durante la realización de este proyecto se han detectado que se podrían

implementar son por ejemplo, la duplicación de los sistemas críticos como medida de seguridad en

caso de fallo. Introducir una válvula por la cual se pueda añadir agua al circuito ya que a lo largo de

varios ciclos el agua se va perdiendo. Para que el proceso sea más realista se debería añadir las

características específicas de la turbina y el acoplamiento con el generador. Otra podría ser la

transformación de la planta en una de cogeneración, para la producción de calor y energía, con lo cual

se aumentaría su rendimiento.

Por último, quería destacar que pese a las dificultades que han ido apareciendo, he aprendido mucho

durante este proyecto y espero que todos estos conocimientos adquiridos me ayuden en un futuro a

trabajar como ingeniero.

Annexos

106

Análisis Económico

En este apartado se realiza el análisis económico del proyecto. Como este trabajo final de grado no

tiene ninguna parte física, la cual se pueda cuantificar el valor, sino que la parte física se ha simulado

desde un programa de software PLC. Al carecer de esta planta real y que no ha sido necesaria la compra

de ningún componente, la única cosa que se puede evaluar en este análisis económico es la realización

de este trabajo.

Desglose de los costes

Para poder saber el coste de un proyecto se necesitan saber las horas invertidas en cada parte del

trabajo. Éstas se han dividido en cinco partes:

- Análisis: se incluye la búsqueda de información y la planificación necesaria para la realización

del proyecto.

- Diseño: se incluye las definiciones del proceso a automatizar, las etapas del proceso y la de los

elementos y su codificación.

- Implementación: se incluye la creación de los tags, la programación del control y la simulación

en el PLC, el diseño y la programación de la aplicación SCADA y la comunicación PLC-SCADA.

- Pruebas de funcionamiento: se incluye las fases de pruebas de las etapas del proceso y la

prueba final para verificar su correcto funcionamiento.

- Redacción de la documentación: se incluye la redacción y los cálculos necesarios para la

realización de esta memoria.

Tabla 15. Costes del proyecto

Partes del trabajo Horas

dedicadas Precio por hora Importe

Análisis 213 h 10 €/h 2.130 €

Diseño 96 h 12 €/h 1.152 €

Implementación 250 h 12 €/h 3.000 €

Pruebas de funcionamiento 60 h 12 €/h 720 €

Redacción de la documentación 172 h 10 €/h 1.720 €

Subtotal 8.722 €

21 % IVA 1.831,62 €

TOTAL 10.553,62 €


107

8. Bibliografía

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Septiembre de 2018).

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descripcion-de-una-planta-de-biomasa (último acceso: Septiembre de 2018).

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—. Tutorial de Comunicaciones Mediante DDE. Departament ESAII, 2016.

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Annexos

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Jarabo Friedrich, Francisco. LA ENERGÍA DE LA BIOMASA. Madrid: S.A.P.T. PUBLICACIONES TÉCNICAS,

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http://www.empresaeficiente.com/blog/calderas-de-biomasa-respetuosas-con-el-medio-y-

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