DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS PARA EL ÁREA DE EXTRUSIÓN DE PLASTILENE S.A.

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1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS PARA EL ÁREA DE EXTRUSIÓN DE PLASTILENE S.A. Julián Fernando Arcila Vargas. Director: Ing. Mauricio Hernando Muñoz Cubillos Resumen Con el presente artículo se documenta de manera general el desarrollo de un sistema de adquisición de datos, partiendo desde elección de la instrumentación, el diseño de las redes de comunicación y finalizando con la programación de la lógica de control y la puesta en marcha del sistema. Palabras Clave Adquisición de datos, SCADA, PLC, Redes Industriales, PROFIBUS, OPC, Ethernet Industrial. Abstract The present article documents in general terms the development of a data acquisition system, starting from the choice of instrumentation, the design of communication networks and ending with the programming of control logic and the implementation of the system. Keywords Data acquisition, SCADA, PLC, Industrial Networks, PROFIBUS, OPC, Industrial Ethernet. I. INTRODUCCIÓN Dada la creciente demanda de volumen y calidad del producto final exigida a la mayoría de sectores del mercado las empresas se ven obligadas a estandarizar las herramientas de producción para conseguir entre otros objetivos, la reducción de los tiempos muertos en la producción debido a daños o fallas en los sistemas, una mejor calidad del producto final y sobre todo un control total sobre el proceso de producción. En la actualidad, una compañía que posee un sistema de supervisión de su planta de producción, tiene la capacidad de mejorar su proceso y la calidad de sus productos debido a que la información proporcionada por los sistemas de supervisión puede ser analizada en tiempo real para tomar medidas preventivas o correctivas de una manera más eficiente y rápida sobre el problema. Particularmente en Plastilene S.A. en ninguno de sus procesos, subprocesos ó re-procesos existía algún sistema de supervisión automático, toda la información de producción se enviaba al sistema ERP de la compañía mediante la digitación en computadores. El objetivo que buscaba la compañía con la implementación del proyecto del sistema de adquisición de datos del área de extrusión, era precisamente eliminar la digitación y registrar las variables más relevantes del proceso para su análisis en tiempo real. En éste proyecto se pretende implementar un sistema de adquisición de datos para el área de extrusión de Plastilene S.A. el cual contenga una interfaz gráfica HMI (Human Machine Interface) mediante un software SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) para la supervisión del proceso y la interacción con el mismo. El presente proyecto ha sido realizado por la necesidad de capturar los datos de producción con un sistema de automatización estándar para que sea utilizado por el ERP actual y cualquier otro que sea instalado en cualquier momento en la compañía. El desarrollo del proyecto parte desde el mismo diseño de las redes de comunicación, el estudio y la elección de todos los elementos utilizados para el sistema, la programación de la lógica de control y la puesta en marcha del sistema. II. MARCO TEÓRICO La automatización industrial se refiere a los dispositivos que sean capaces de reducir el esfuerzo humano necesario para hacer un trabajo. En un sentido más específico, automatización significa el control mecánico o electrónico, que sustituye la función de control del cerebro humano [1]. Definición de un PLC J.F.A.V. Pertenece a La universidad Del Quindío. Tel.: , Correo Electrónico:

2 Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando sobre los accionadores de la instalación. Campos de aplicación Se utiliza necesariamente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control y señalización. Abarcando desde procesos industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc, [2]. Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos tales como: 1) Espacio reducido 2) Maquinaria de procesos variables 3) Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso 4) Procesos de producción periódicamente cambiantes Ejemplos de aplicaciones generales: 1) Maquinaria industrial de plástico 2) Maniobra de máquinas 3) Maquinaria de embalajes Ventajas e inconvenientes Ventajas 1) No es necesario dibujar el esquema de contactos 2) Mínimo espacio de ocupación. 3) Menor coste de mano de obra de la instalación. 4) No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande. 5) Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos. 6) La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega. 7) Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo cableado. Inconvenientes 1) Siempre hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en día ese inconveniente está solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento. 2) El coste inicial también puede ser un inconveniente. Funciones básicas de un PLC Detección: Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación. Mando: Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y pre accionadores. Dialogo hombre maquina: Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso. Programación: Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la maquina. Contenido de un PLC Normalmente en un PLC de cualquier fabricante se encuentra: Fuente de Alimentación CPU Módulos de I/O en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos (alrededor de 500 I/O) Soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como: Entradas y salidas análogas Módulos contadores rápidos Módulos de comunicaciones Interfaces de operador Expansiones de i/o PLC tipo Modular: Éstos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el controlador final, estos son: Rack Fuente de Alimentación CPU Módulos de I/O De estos tipos existen desde los denominados Micro PLC que soportan gran cantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de I/O [3]. III. ACTIVIDADES REALIZADAS El objetivo del proyecto Diseño e implementación de un sistema de adquisición de datos para el área de extrusión de Plastilene S.A tiene como fin capturar los datos operativos y de producción de todas las máquinas extrusoras con el fin de centralizar toda la información en un servidor que posteriormente intercambia la información con la intranet de la empresa mediante el departamento de sistemas. La información que se capturó de cada máquina se describe a continuación:

3 Velocidad de línea [m/min]. Producción [kg/h], Consumo de energía [kwh]. Metros de producción [m]. Rollos de producción [cantidad]. Operario de turno [nombre]. Orden de producción [OP]. Tiempos reales de producción y tiempos muertos. A. Esquema general de comunicaciones. El sistema de adquisición de datos cubre tres niveles de automatización industrial los cuales están divididos en el nivel de campo, en donde se ubican los sensores y la instrumentación de adquisición, el segundo nivel, el nivel de control, está compuesto por el autómata y por último en el tercer nivel se encuentra la interfaz HMI y el servidor de la compañía. A continuación, en la figura 1, se muestra el esquema general de comunicaciones del sistema de adquisición de datos con sus respectivos elementos. Figura 2. Tablero PLC y switch Ethernet. Captura de Velocidad. Ésta variable de proceso es fundamental para conocer el estado productivo de la maquinaria de extrusión, consecuencia de ésta variable se pueden registrar tiempos de producción y tiempos muertos para realizar análisis de disponibilidad de máquinas y determinar los periodos reales de producción en tiempo real ya que el sistema de adquisición está constantemente capturando ésta variable. Físicamente, en cada máquina extrusora, existen varios puntos estratégicos para ubicar el sensor de velocidad, pero de todos éstos, el motor del halador de la máquina es el que nos puede ofrecer una mayor precisión de la velocidad real de la misma. El halador, como se explicó anteriormente es el encargado de halar la burbuja de plástico hacia la parte más alta de la máquina por lo tanto es la velocidad real de la máquina la que describe los metros de película por minuto que pasan a través del halador. Figura 1 Diagrama de bloques del proceso. B. Descripción de la figura 1. En el nivel de campo se encuentran los sensores y ó transductores necesarios para la adquisición de las variables críticas del proceso de extrusión, las cuales deben ser supervisadas desde todos los niveles de control y gestión de la compañía. Para capturar las variables críticas mencionadas anteriormente se utilizó la siguiente instrumentación: Para medir la velocidad de las máquinas extrusoras se decidió utilizar Encoders absolutos de velocidad los cuales pueden instalarse directamente en el eje de un motor ó utilizar cualquier tipo de mecanismo para otro tipo de instalaciones. Específicamente, los sensores utilizados para el sistema de adquisición de datos de Plastilene, traen comunicación industrial Profibus DP y sus controladores GSD para ser conectaos a cualquier red de campo Profibus DP. En la figura 2 se puede apreciar el montaje físico del sensor de velocidad ubicado en el halador de la máquina.

4 Figura 3. Montaje Físico del Encoder en el halador. Captura de energía Variable no tan crítica para el análisis del proceso, pero de vital importancia a la hora de realizar estudios de ahorro de energía de toda la planta de la compañía, se incluyó en el sistema debido a los proyectos que están en planeamiento los cuales tienen que ver con el ahorro de energía eléctrica consumido por la planta de producción y con el fin de mantener un indicador real sobre los costos para fabricar un producto en la empresa. Debido a la imposibilidad de apagar las máquinas extrusoras para la instalación de los medidores de energía, se eligió utilizar transformadores de corriente de núcleo partido, los cuales pueden instalarse en caliente sobre los barrajes de la alimentación principal de las máquinas, éstos transformadores (uno por cada fase) van conectados al medidor al igual las tensiones de las tres fases del circuito principal de cada máquina, éste medidor toma todas las señales y las procesa para obtener los más de 50 datos que nos ofrece. Figura 6. Montaje completo para medición de energía. Captura de producción La captura de producción ésta dada por la cantidad de materia prima que circula a través del tornillo extrusor de cada máquina extrusora, ésta velocidad es más real y nos da la capacidad real que puede producir cada máquina. Fue necesario el diseño de una estructura metálica con una tolva intermedia y un sistema de medición de peso entre el sistema de dosificación de la máquina y la entrada al tornillo extrusor la cual puede observarse en la figura 6. Figura 4. Transformadores de corriente de núcleo partido. El medidor, además de tener un display de visualización de los datos, tiene incorporado un puerto de comunicación Ethernet RJ45 hembra con un protocolo Modbus TCP/IP. Figura 7. Estructura de medición de peso. Figura 5. Medidor de energía SIEMENS SENTRON PC Figura 8. Celda de carga. La señal arrojada por la celda de carga en mv se convierte a señal de corriente de 4-20 ma con el fin de hacer posible la

5 conducción por cable para distancias grandes y obtener una buena señal en la tarjeta de adquisición del PLC. IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS Luego de la elección y la instalación de la instrumentación, se diseñaron 2 redes industriales de comunicación las cuales se muestran a continuación en términos generales. Figura 11. Red Ethernet Industrial y sus componentes. Figura 9. Amplificador convertidor mv a ma. Captura de datos de producción Los datos como, orden de producción, operario encargado, inicio y fin de orden de producción y motivos de paro de máquina, se obtienen por medio de paneles táctiles ubicados en cada máquina. Figura 12. Red Profibus y sus componentes. La visualización de todos los datos capturados, se realizó mediante un software para supervisión SCADA, el cual se programó para que intercambiara datos con el PLC principal. Figura 10. Panel táctil para ingreso de datos. Figura 13. Menú principal del SCADA.

6 VII. BIOGRAFÍA DE AUTOR Julián Fernando Arcila Vargas. Nacido en Armenia el año de Cursó estudios secundarios en el Colegio San Francisco Solano y actualmente se encuentra laborando como ingeniero de planeación en Plastilene S.A. Mis intereses son la Automatización Industrial y las Telecomunicaciones. TEL: Figura 14. Monitoreo de las variables capturadas. V. CONCLUSIONES Para cualquier tipo de compañía de manufactura, el proceso de producción es el núcleo del negocio y en su mayoría tiende a ser el proceso más complejo y el menos controlado de la operación, lo que genera ineficiencias y al final pérdidas de dinero y de productividad. Para Plastilene S.A., era necesario escalar al siguiente nivel de control e invertir en un sistema de adquisición que le permitiera tomar la información de planta y analizarla de tal manera que cada vez se mejore el proceso de producción. Mediante un sistema de adquisición de datos es posible llevar el control general de todo el proceso de producción en tiempo real lo cual permite tomar decisiones de una manera rápida y efectiva ante cualquier tipo de problema. Además, otras áreas de la misma compañía relacionadas con el proceso de producción como planeación, mantenimiento, logística y gerencia entre otros, pueden visualizar datos importantes de cada máquina que permitirán tomar decisiones o realizar planes de ejecución sobre el proceso de una manera acertada. VI. BIBLIOGRAFIA [1] CUENCA, A. SALT, J. (2005) Automática Industrial y control. Valencia: Editorial Universidad politécnica de valencia [2] JONES, CT. (2006) STEP 7 in 7 STEPS. A practical guide to implementing S7-300/S7-400 PLC [3] MORENO, E. (1998). Automatización de procesos industriales. Ediciones: Universidad Politécnica de Valencia.

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