Universidad Politécnica de Tlaxcala
Ingeniería Mecatrónica
Automatización para el control de un tanque elevado Participantes:
Nombre estudiante Oscar Huerta Zenteno
[email protected]
Asesor externo Ing. Eduardo Mercado Águila
[email protected]
Asesor interno M.C. Irma Flores Nava
[email protected]
Septiembre, 2017
Resumen Tesla Capacitación A.C es una empresa que se dedica a impartir cursos en cualquier área de ingeniería, además de contar con servicios en proyectos ya sea estudiantil o industrial. Desde hace muchos años se observa la necesidad de automatizar y controlar el nivel de gases, vapores y líquidos los cuales pueden ser agresivos, no agresivos y peligrosos, así también cada uno de éstos con sus respectivos niveles de viscosidad y densidad. Con base a lo anterior se propuso el proyecto “Automatización para el control de un tanque elevado” para poder brindar ayuda a las industrias , que ofrezcan un
nivel de seguridad, permitiendo garantizar el desarrollo completo del proceso en ejecución en industrias tales como las alimenticias, refresqueras, manufactureras, comerciales, entre otras. El desarrollo consistió en la eficacia y rapidez, el tanque consta de tres niveles, bajo, medio y alto. Los resultados obtenidos se basaron en la programación y simulación del presente proyecto ya que el realizar un llenado y vaciado de un tanque automatizado es muy factible para las grandes industrias permitiendo manipular niveles que el trabajador requiera.
Planteamiento del problema En la actualidad la automatización de tanques, para las industrias se ha hecho indispensable, en muchas ocasiones, llega a ver grandes pérdidas de fluidos así como el desperdicio de mucha energía eléctrica, lo que llega a ocasionar tiempos muertos, afectando, una o más áreas.
Justificación La realización de este proyecto, permitirá mejoras en los sistemas de llenado y vaciado de los depósitos de fluidos ya que Capacitación Tesla A.C se dedica a dar cursos en cualquier área de ingeniería, permitiendo ofrecer el proyecto incluso a los hogares y no exclusivamente a las empresas.
Objetivo general Desarrollar un programa el cuál pueda ejercer un proceso automatizado en el nivel de líquido en un tanque y así poder controlar los niveles de un sistema de llenado y vaciado mediante programación industrial.
Objetivos específicos
Diseñar un programa que permita controlar un llenado y vaciado de un tanque.
Investigar sobre la factibilidad del proyecto
Simular un control de llenado y vaciado en las diferentes plataformas que han sido proporcionadas por parte de la empresa.
Realizar diagrama de control eléctrico.
Análisis del contexto El presente proyecto se realizó en la empresa Tesla capacitación A.C ubicado en Av. El molinito #11 Cholula, Puebla, cuenta con un número de 8 empleados. Tesla capacitación A.C se dedica a impartir cursos en cualquier área de ingeniería además de contar con proyectos ya sea estudiantiles o industriales.
Desarrollo Para el desarrollo del presente proyecto se realizaron las siguientes actividades: Primero se procede a realizar el diagrama de fuerza, para ello se ha utilizado el software Cade Simu ya que es muy funcional en las simulaciones eléctricas. La figura 1 muestra el diagrama de fuerza que realizó en el software Cade Simu.
Figura 1. Diagrama de fuerza.
Para clasificar el sistema se usan las siguientes etiquetas:
Las etiquetas stop y start se usan para el arranque y paro del sistema.
Las etiquetas de ini y out permitirán el proceso de llenado o vaciado y aunque se pulse el botón de stop se quedarán en el nivel donde el tanque haya llegado.
Las etiquetas s1, s2 y s3 representan los niveles, bajo, medio y alto.
Por último las etiquetas v1 y v2 representan cada tanque. En la figura 2 y 3 se observará el nivel del tanque 1.
Figura 2. Se activa tanque 1.
Figura 3. Niveles del tanque 1.
Se debe recordar que si se requiere solo el nivel ya sea bajo (S1) o nivel medio (S2), basta con pulsar el botón de stop para desear el nivel según sea requerido. Por consiguiente cuando el tanque 1 (V1) llegue al nivel alto (S3), este se desactivará y así permitiendo que el tanque 2 (V2) comience a llenarse. Se debe recordar que el uso de las etiquetas de (ini) y (out) permitirá realizar el cambio de tanque. Cuando se esté en el tanque 2 pasará de forma inversa es decir ahora irá de nivel alto hasta llegar al nivel bajo. Las figuras 4 y 5 muestran en funcionamiento el tanque 2.
Figura 4. Se activa tanque 2.
Figura 5. Niveles del tanque 2.
La figura 6 demuestra cómo se representa el llenado de un tanque.
Figura 6. Ejemplo de llenado de un tanque.
Con lo que se muestra en la figura 6, ahora se procede a ver las plataformas de programación industrial también llamado PLC (Programmable Logic Controller). Para este caso se manejan dos, Micro Win y Simatic manager, el sistema de llenado de tanque constará de dos cisternas con niveles bajo, medio y alto. Esta plataforma ocupa exclusivamente el plc s7-200, el cual ha sido uno de los más básicos y de los primeros usados en la industria. Como se había mencionado antes, se pretende realizar la simulación de automatizar un tanque por lo que explicará a continuación, primero se empezará por explicar el entorno de la plataforma de Step 7/Micro win. La figura 7 muestra la tabla de símbolos.
Figura 7. Tabla de símbolos.
La tabla de símbolos se divide en tres secciones: La primera parte es de símbolos, el programador puede escribir lo que desee, sin embargo se recomienda hacer abreviaciones para cuando se realice la programación no aloje demasiado texto, esto puede representar, ya sea un sensor un botón, un motor, etc. La segunda parte es de direcciones, se utiliza para representar las entradas y salidas del PLC. Cada una de las direcciones tiene su significado, la dirección marcada con la letra (I) se utiliza para asignar una entrada al PLC. Las direcciones marcadas con la letra (Q), representan las salidas. La tercera parte es de comentarios, se usa para especificar qué función representará el símbolo ya sea un botón de arranque o de paro, sensor 1, 2, 3…, válvula, indicador, etc. En la figura 8 se muestra el entorno de programación.
Figura 8. Entorno de programación step 7-Micro/Win.
Esta plataforma es una de las más básicas así como amigable ya que al sólo contener un solo PLC se puede hacer la programación de forma directa. El único detalle de esta plataforma es que solo se pueden hacer los programas y compilar pero no se pueden apreciar el funcionamiento, para ello step 7-
Micro/Win cuenta con dos simuladores. La figura 9 representa el simulador para observar la programación que ha realizado en el entorno de Micro/win step 7.
Figura 9. Simulador S7-200.
Para poder realizar simulaciones en este software se requiere exportar un archivo de la plataforma de Micro/Win. El formato al que se convertirá es en AWL. Cuando se cargue el archivo, en la figura 10 aparecerá la programación realizada anteriormente.
Figura 10. Muestra del programa en el simulador.
En la parte del PLC virtual se observan las entradas y salidas que se activan de forma manual, en este caso al activar la entrada 1 (I0.1) se activa el sistema donde el primer tanque comenzará a llenarse. Se degloza una figura adicional, con el numero 11, para poder comprender dónde se ubican las entradas y salidas.
Figura 11. Entradas y salidas del PLC.
Para tener una mejor comprensión, el PLC S7-200, consta de 8 entradas que se enumeran de 0 a 7, y de 6 salidas que se enumeran de 0 a 5. Con lo anterior explicado, se vuelve a la simulación que estará realizando el programa: La figura 12 representa el primer tanque donde se procede a activar con la entrada I0.1, los segmentos 2, 3 y 4 representan los niveles bajo, medio y alto para cada tanque. La salida Q0.0 representa la válvula número 1, esto permitirá activar cada nivel.
Figura 12. Activación del tanque 1.
Para el nivel bajo, se representa con la entrada I0.2, cuando este nivel llegue a capacidad el primer indicador representado con Q0.1se activa. Posteriormente se activará el nivel medio con la entrada I0.3, así como el segundo indicador, que está representado por la salida Q0.2, cuando este llegue a su punto se activará el nivel alto representado por la entrada I0.4 así como el indicador 3 representado con Q0.3. Cuando el tanque 1 llegue a su máxima capacidad este se debe de apagar, permitiendo que el tanque número 2 se active. La figura 13 muestra el segmento 5, que representa el tanque 2 mencionado.
Figura 13. Activación del tanque 2.
Para el siguiente caso, ocurrirá lo mismo con el tanque 2 cuando llegue a su capacidad máxima se irá vaciando, en este caso será de forma inversa, es decir, el nivel alto será el primero en bajar hasta llegar al nivel bajo y volverá a activarse tanque 1. Una vez que se ha visualizado la programación en el simulador S7-200, ahora se realizará una pequeña demostración en el simulador PC_SIMU el cuál funciona de la siguiente forma.
PC_SIMU permite simular procesos automáticos de forma gráfica intercambiando las entradas y salidas, evitando de esta forma al tener que activar los interruptores de entrada o visualizando los led de la salida del PLC. Al utilizar PC_SIMU se debe recalcar, para su correcto funcionamiento se debe mantener abierto el simulador S7-200, ya que de lo contrario no funcionará. Los componentes que se utilizarán serán leds que servirán como indicadores, las válvulas serán los sensores, dos tanques, dos interruptores, normalmente abierto (NA) y normalmente cerrado (NC) y tuberías para realizar la simulación de la conexión de ambos tanques. La figura 14 muestra cómo se representa el proyecto.
Figura 14. Simulación del tanque elevado.
Se hace recalcar, cuando se requiera hacer una simulación se debe mantener abierto el simulador S7_200. En la figura 14 los botones de paro y emergencia representan las entradas I0.0 e I0.1 los leds son los niveles para cada tanque Q0.1, Q0.2 y Q0.3, las válvulas representan los niveles que son Q0.0 y Q0.4, por último ambos tanques se asignan las entradas I0.2, I0.3 e I0.4. Se procederá a ver el funcionamiento de la simulación. Las figuras 15, 16 y 17 representan el llenado y vaciado del tanque 1.
Figura 15. Llenado de tanque 1 nivel bajo.
Figura 16. Llenado de tanque 1 nivel medio.
Figura 17. Llenado de tanque 1 nivel máximo.
La simulación indica, cuando llega su límite máximo el primer tanque se desactiva y por consiguiente se activará el tanque número 2, se repetirá el mismo proceso el cuál es cuando se llene el tanque 2, debe proceder a apagarse por completo el sistema. Las figuras 18 y 19 muestran el comportamiento del tanque 2.
Figura 18. Activación del tanque número 2.
Figura 19. Tanque número 2 en su capacidad máxima.
Una vez que se ha mostrado el funcionamiento de la simulación de dicho proceso en uno de los software más básicos, se hará otra simulación, esta vez con uno de los software que se sigue ocupando hoy en día, el cuál es el Simatic manager step 7. La figura número 20 muestra el archivo que se ha creado previamente para realizar dicha programación y simulación.
Figura 20. Creación y compilado de proyecto.
Un punto importante es cuando se abre el bloque de organización se debe especificar que lenguaje se va a utilizar en el entorno de programación, ya que consta de tres lenguajes de programación, los cuáles son: KOP, AWL y FUP.
El lenguaje KOP o también llamado de escalera es el más usado, así como también el más sencillo de comprender. El lenguaje AWL se usa en programación textual orientada a la máquina, para instrucciones sencillas es muy útil pero cuando se quiere hacer una lógica un poco compleja el trabajo de seguimiento y de depuración es complicado y fácilmente de cometer errores. El lenguaje FUP utiliza cuadros de algebra booleana para representar la lógica, tiene la ventaja de ver los cuadros agrupados por bloques, las diferentes lógicas y tener bloques complejos. La figura 21muestra la estructura para cada tipo de lenguaje mencionado anteriormente.
Figura 21. Tipos de lenguaje de programación.
Antes de pasar al entorno de la programación en KOP, se deberá ir al ícono de símbolos para poder nombrar las entradas y salidas, así como las etiquetas. La figura 22 señala la parte de símbolos.
Figura 22. Símbolos de asignación.
Otro punto a aclarar es que en este software las entradas y salidas cambian de letra ya que se trabaja en el sistema europeo. En el PLC anterior se trabajó en el sistema americano. Las direcciones marcadas con la letra (E), representan las entradas. Las direcciones marcadas con la letra (A), representan las salidas. Se procede a declarar las entradas y salidas en la tabla de símbolos, véase en la figura 23. Por consiguiente se realiza nuevamente la programación que se había hecho en el software micro/win. En la figura 24 se observa el entorno de programación.
Figura 23. Tabla de símbolos.
Figura 24. Entorno de programación Simatic Manager.
Se carga y compila el programa. En la figura 25 aparecerá la siguiente ventana donde se podrá asignar las entradas y salidas. Para visualizar las entradas se puede oprimir F2 y para las salidas F3.
Figura 25. Simulador PLCSIM.
A partir de la figura 26 hasta la figura 33 se representa todo el proceso ya visto anteriormente.
Figura 26. Sistema se mantiene apagado.
Tal como ya se había mostrado en el simulador S7-200 se tiene que activar la entrada 1(E0.1), esta vez al momento de la activación de cada nivel se verán a través del cuadro AB 0, y las palomitas se irán marcando o desmarcando según el nivel que adquiera hasta que cada tanque se haya llenado así como vaciado.
Figura 27. Nivel bajo activo tanque 1.
Figura 28. Nivel medio activo tanque 1.
Figura 29. Nivel alto activo tanque 1.
Como se puede observar en la figura 29 sucede lo mismo el nivel alto marcado con la entrada 4 (E0.4), se desactiva el tanque 1 y por ende se activa el tanque 2.
La salida para el tanque 1 se observa al desactivarse, en el cuadro AB 0 y representa la salida (A0.0).
Figura 30. Nivel alto se apaga tanque 2.
Figura 31. Nivel medio se apaga tanque 2.
Figura 32. Nivel bajo se apaga tanque 2.
Figura 33. Se apaga el sistema por completo.
Resultados y conclusiones Los resultados del presente proyecto se basaron en la programación y simulación, permitiendo observar el proceso de un tanque elevado que consistió en el vaciado y llenado así como las diferencias de las plataformas utilizadas, cada una tiene diferente ambiente para su uso, solo que step 7 micro-win ya no es tan usado debido a las limitaciones, por ejemplo, la poca memoria, así como la velocidad de procesamiento. El entorno de programación de Simatic manager llega a ser un poco más complicado, sin embargo, tiene un uso mayor. La continuación de Simatic manager step 7 es Totally Integrated Automation Portal o mejor conocido como TIA Portal. Esta plataforma es mucho más sencilla para su compresión, debido a que en el momento de realizar la configuración del Hardware, es decir al configurar un PLC, se puede ver de forma virtual como se estructura, así permitiendo una mejor comprensión para el usuario. La información realizada de todo el proyecto se obtuvo de las siguientes referencias: Del libro STEP 7 - Una manera fácil de programar PLC de Siemens, comunicaciones industriales, así como algunos tutoriales para manejar el software Cade Simu.
