UNIVERSIDAD DEL CAUCA INGENERIA EN AUTOMATICA INDUSTRIAL FACULTAD DE ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES PLANTA DE EVENTOS DISCRETOS

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1 UNIVERSIDAD DEL CAUCA INGENERIA EN AUTOMATICA INDUSTRIAL FACULTAD DE ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES PLANTA DE EVENTOS DISCRETOS SIMULACION DE ELABORACION DE JUGOS Y NECTARES CITRICOS PLANTA DE EVENTOS DISCRETOS NATALIA ESTRADA RIASCOS OSCAR CAMILO CASTRO U. LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS POPAYAN 2010

2 1. INTRODUCCIÓN La planta de Sistemas a Eventos Discretos (SED) permite simular procesos productivos secuenciales y concurrentes como es la elaboración de jugos cítricos, esta planta es un sistema que está dividido en dos partes, en campo compuesta por una motobomba, un circuito hidráulico, electroválvulas, agitadores, detectores de nivel y varios tanques de almacenamiento conectados a un panel de control el cual tiene implementado dos escenarios de automatización uno basado en PLC y otro basado en una red de bus de campo. La planta tiene comunicación directa con un PLC Micrologix 1500 serie C de Allen-Bradley, o a la red Device-Net, según se determine por medio de una llave selectora ubicada en el panel. La comunicación a la red Device-Net se realiza por medio del Nodo NAGA de la Universidad del Cauca. La comunicación vía Ethernet es también posible. Después de haber realizado la identificación de los equipos e instrumentos que la componen, de identificar las salidas desde el PLC hacia los actuadores de la planta SED y de haber realizado la caracterización de los distintos flujos de materia prima en cada uno de los tanques, se propone emular el proceso de elaboración de jugos cítricos y de néctares cítricos de la industria alimenticia en la planta SED con control por PLC a través de un sistema SCADA.

3 2. OBJETIVOS Objetivo general: Emular el proceso de producción de jugos y néctares cítricos de la industria alimenticia en la planta de sistemas a eventos discretos, empleando el modelo SCADA. Objetivos específicos: 1. Conocer el proceso de producción de jugos y néctares cítricos. 2. Conocer e identificar los diferentes instrumentos que hacen posible el flujo de la materia prima. 3. Identificar las entradas y salidas discretas del PLC Micrologix 1500 serie C de Allen Bradley los cuales se conectan con los diferentes actuadores de la planta, para poder emular el proceso. 4. Conocer el manejo de un modelo SCADA.

4 3. PRERREQUISITOS Haber realizado la práctica de familiarización con la planta de sistemas a eventos discretos. Haber realizado la práctica de identificación en la que se determino los caudales para cada tanque de la planta SED de acuerdo al procedimiento establecido. 4. MATERIAL NECESARIO Se requiere la planta SED, un PC, ladder y supervisorio del la práctica.

5 5. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 5.1 DESCRIPCION DE ALGUNOS DISPOSITIVOS DEL PANEL DE CONTROL Y DEL CIRCUITO HIDRÁULICO DE LA PLANTA SED. Relés de conmutación Estos elementos conductores se emplean para conmutar las salidas y entradas de los instrumentos en campo con los escenarios de automatización de la planta, en este caso entre el PLC o el nodo NAGA, los relés son gobernados desde la llave selectora ubicada en el panel de control. Contactor y relé térmico En el panel de control de la planta SED, el circuito de potencia de la motobomba tiene como componentes un contactor (que la energiza) y un relé térmico (que la protege ante una sobre carga de corriente). PLC Micrologix 1500 serie C con módulo Scanner Device Net 1769 ECR A través del Controlador lógico programable (PLC) se puede controlar la secuencia de operaciones del proceso de producción que emula la planta a eventos discretos. Electroválvulas En la planta SED las electroválvulas actúan como elementos reguladores del caudal de entrada o de salida según su disposición, esta regulación es del tipo todo o nada. Motobomba La motobomba succiona el líquido depositado en el tanque 1 (tanque de suministros) y lo distribuye a los diferentes tanques de la planta. Las características de la motobomba QB 128 son: 110v, 60Hz y 0.5 HP, capaz de alcanzar una altura máxima (H.max) de 30 metros, y un caudal máximo (Q.max) de 38 l/min. 5.2 DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA SED EN CAMPO Se compone de cinco tanques cada uno de ellos posee una válvula manual, una electroválvula para el flujo de entrada, una electroválvula para el flujo de salida, dos detectores de nivel de efecto hall y una válvula de purga, una motobomba que succiona el líquido del tanque de suministro (Tanque 1) para ser llevado hacia los otros tanques del sistema. De manera general el caudal de salida de los tanques 4 y 5 se combina y se deposita tanto en el tanque 3 como en el tanque 2, estos tanques son los

6 únicos con agitadores, también está el tanque 1 que es el tanque de almacenamiento como se observa en la Figura 1. Figura 1. Imagen de la planta SED del laboratorio de control de procesos de la universidad del Cauca. 5.3 DESCRIPCION DE LA PLANTA EN EL PANEL DE CONTROL En el panel de control o cableado se encuentran los dispositivos que controlan la configuración y el funcionamiento de la planta, ver figura 6. El panel se puede configurar para operar bajo dos escenarios de automatización: basado en PLC o basado en una red de bus de campo. En el panel se encuentra instalados un PLC Micrologix 1500, un módulo de comunicación a la red DH485, el nodo DeviceNet Naga, una fuente de alimentación, relés electromecánicos, borneras de conexión, un fusible, un contactor, un térmico, luces piloto, pulsadores y una llave selectora de los escenarios de automatización, los cuales se pueden observar en la Fig.2.

7 Figura 2. Panel de control de la planta de SED del laboratorio de control de procesos 5.4 LISTADO DE LOS INSTRUMENTOS ETIQUETADOS DE LA PLANTA EN CAMPO Y DEL PANEL DE CONTROL. Para el etiquetado de los instrumentos de la planta SED, se utiliza el estándar de la ISA S5.1 y el estándar CEMAT, como se representa en la tabla 1 para los instrumentos de la planta en campo y los del panel de control. ETIQUETA DESCRIPCION Instrumentos en campo FY1 150 Electroválvula 0 FY2 150 Electroválvula 2 FY3 150 Electroválvula 3 FY4 150 Electroválvula 4 FY5 150 Electroválvula 5 FY6 150 Electroválvula 6 FY7 150 Electroválvula 7 FHV1 150 Válvula 1 manual de bola FHV2 150 Válvula 2 manual de bola FHV3 150 Válvula 3 manual de bola FHV4 150 Válvula 4 manual de bola P1 150 Purga 1 de Vástago recto P2 150 Purga 2 de Vástago recto P3 150 Purga 3 de Vástago recto P4 150 Purga 4 de Vástago recto P5 150 Purga 5 de Vástago recto LLE/TK1 150 Sensor de nivel bajo del tanque LHE/TK1 150 Sensor de nivel alto del tanque LLE/TK2 150 Sensor de nivel bajo del tanque LHE/TK2 150 Sensor de nivel alto del tanque LLE/TK3 150 Sensor de Nivel bajo del tanque LHE/TK3 150 Sensor de nivel alto del tanque

8 LLE/TK4 150 Sensor de Nivel bajo del tanque LHE/TK4 150 Sensor de nivel alto del tanque LLE/TK5 150 Sensor de nivel bajo del tanque LHE/TK5 150 Sensor de nivel alto del tanque MX1 150 Mezclador 1 MX2 150 Mezclador 2 Instrumentos en el panel de control LC2 150 Nodo (NAGA) 0 CK 150 Contactor con relé térmico 0 CM1 150 Relé de conmutación 1 0 CM2 150 Relé de conmutación 2 0 CM3 150 Relé de conmutación 3 0 CM4 150 Relé de conmutación 4 0 CM5 150 Relé de conmutación 5 0 CM6 150 Relé de conmutación 6 0 CM7 150 Relé de conmutación 7 0 Tabla 1. Etiqueta de los instrumentos de panel y control de la planta de SED. 5.5 MEDIDAS DE LOS TANQUES DE LA PLANTA A EVENTOS DISCRETOS La medida de los tanques se representa en la tabla 2. TANQUES Tanque 1 Tanque 2 Tanque 4 Tanque 5 MEDIDAS Ancho: 34,7cm; Largo: 51cm; Alto: 35,4cm Ancho: 14,9cm; Largo: 41,7cm; Alto: 35,4cm Ancho: 7,5cm; Largo: 24,8cm; Alto: 35,4cm Ancho: 33,7cm; Largo: 24,8cm; Alto: 35,4cm Tabla 2: Medidas de los tanques 1, 2, 4 y 5 El tanque 3 tiene una forma más compleja como se indica en la Figura 2. Luego sus medidas son: Ancho1: 9,9cm; Largo1: 23,2cm; Ancho2: 41,5cm; Largo2: 8,5cm; Alto: 35,4cm.

9 Figura 2. Forma del tanque ASIGNACION DE ELECTROVALVULAS Las electroválvulas son las encargadas de la carga o descarga de los tanques ubicados en campo, según el siguiente listado, para ubicar las válvulas ver figura 3. Figura.3. Planta de SED en campo Válvula 1: Carga el tanque 3 Válvula 2: Descarga el tanque 4 y 5 y vierte hacia el tanque 3 y 2 Válvula 3: Carga el tanque 2 Válvula 4: Carga el tanque 4 Válvula 5: Descarga el tanque 2 y vierte hacia el tanque 1. Válvula 6: Descarga el tanque 3 y vierte hacia el tanque 1. Válvula 7: Carga el tanque 5.

10 5.6 PRODUCCIÓN DE JUGOS Y NÉCTARES CÍTRICOS Debido a que el objetivo de la práctica es emular el proceso de producción de jugos y néctares cítricos de la industria alimenticia en la planta de sistemas a eventos discretos es necesario conocer el tal proceso del cual se hace referencia a continuación. La producción de jugos cítricos concentrados comprende los siguientes productos: Limón (60 %) Naranja (22 %) Mandarina (11 %) Otros (7 %) 1) Jugos cítricos Para fabricar jugos cítricos de naranja, limón y mandarina se parte de ciertas emulsiones cítricas de acuerdo al sabor, color y aroma de cada fruta, entonces se mezcla la emulsión con agua tratada (a temperatura ambiente) y agregarle acido cítrico diluido con sacarosa liquida, su proporción depende del sabor que se desee preparar, esta mezcla se debe agitar por un tiempo y posteriormente se debe pasteurizar a 70 C por 10 minutos y sale para su empaque. 2) Néctares cítricos La preparación de estos néctares tiene el mismo proceso que los jugos cítricos pero con una concentración de agua menor y se pasteuriza a 90 C por 8 minutos y sale para su empaque. 5.7 SISTEMAS SCADA Definición de sistema SCADA SCADA es el acrónimo de Supervisory Control And Data Acquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos), Es una aplicación software de control de producción, que se comunica con los dispositivos de campo y controla el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. Los sistemas de interfaz entre usuario y planta basados en paneles de control repletos de indicadores luminosos, instrumentos de medida y pulsadores, El control directo lo realizan los controladores autónomos digitales y/o autómatas programables y están conectados a un ordenador que realiza las funciones de diálogo con el operador, tratamiento de la información y control de la producción, utilizando el SCADA. 6. PROCEDIMIENTO

11 Para llevar a cabo el desarrollo de la práctica es necesario preparar la planta, establecer la comunicación entre el PC y el PLC, y por ultimo simular la elaboración de jugos cítricos a través del SCADA, los pasos a seguir son como se indican a continuación: 6.1 Encender la planta SED 1) Conectar la planta a la fuente de 120 V AC 2) Disponer el breaker en ON para encender la planta 3) Disponer la llave selectora en modo PLC 4) Enciende el computador dispuesto en la planta 5) Conectar el PLC (desde su canal 0) al puerto serial del computador. 6.2 Comunicación entre el PLC y el PC Es necesario crear un driver desde la herramienta RSLinx para poder manipular los puertos del PLC, así: 1) Iniciar en el PC PSLINX clasical, como se indica en la imag.1. Figura 4. Visualización de los pasos para la inicialización del RSLink para crear un driver a través del icono configure drives 2) Seleccionar RS-232DF1diveces en Availiable Types 3) Presionar add new Como se indica en la figura 5 Figura 5. Visualización de los pasos para la selección del RS 232DF1 divices

12 4) Presionar autoconfigure en la próxima ventana 5) Verificar que aparezca el mensaje Auto configuration successfull. 6) Presionar ok. Como se indica en la Figura 6. Hasta este paso el driver debe estar como Running lo cual indica que el driver para la comunicación queda creado. Figura 6. Visualización de los pasos finales para terminar con la creación del driver para la comunicación. 6.3 Descarga del ladder y verificación de condiciones iniciales. Luego cargue el supervisorio y el archivo ladder ubicado en el escritorio llamado jugos y néctares cítricos, para esto dar doble click sobre el archivo con extensión.rss y.rsv. Una vez cargado el archivo ladder, se debe tener en cuenta las condiciones iniciales del sistema, para esto verificar que el estado E0 (binario 2) se encuentre en uno, esto mediante la tabla de datos de los datos binarios, así como se muestra en la figura 7.

13 Figura 7. Verificación del valor de las condiciones iniciales del programa. La preparación de jugo y el néctar cítrico se hará de la siguiente manera: En el tanque 5 estará la emulsión de naranja para la preparación del jugo En el tanque 4 se tendrá la solución de acido cítrico y sacarosa La preparación de jugo se hará en el tanque 2 La preparación del néctar se hará en el tanque 3 El tanque 1 se tomara como fuente de materia prima y como pasteurizador para el producto final. A continuación se muestra los pasos para realizar la preparación de los cítricos, en la que se definieron estados para cada acción a implementar en el PLC y posteriormente en el sistema SCADA, y debido a que es un proceso secuencial es necesario llevar a cabo el cumplimiento de ciertos estados antes de proseguir. 1. Para preparar el jugo debe llenarse el tanque 2 con 10L para esto se activa la electroválvula de carga de dicho tanque por el tiempo necesario. 2. Posteriormente se cargar el tanque 4 con 3 litros de solución de acido cítrico y sacarosa y al mismo tiempo en el tanque 5 se deposita 6 litros de emulsión de naranja 3. Se debe mezclar el tanque 2, para esto se activa el agitador del tanque 2 por 6 minutos. 4. Al tiempo que se agüita el solvente del tanque 2, se debe agregar a esté la emulsión de naranja y la solución de acido cítrico y sacarosa, esto por medio de la de descarga de los tanques 4 y 5, cuando los sensores de

14 nivel bajo estén activos dicha válvula debe ser desactivada. 5. Cuando se desocupen los tanques 4 y 5 llenarlos con 3 litros de solución de acido cítrico y sacarosa, así como con 6 litros de emulsión de naranja respectivamente. (esto para preparar el siguiente lote de producción). 6. Cuando termine de agitarse la mezcla del tanque 2 se debe desocupar el tanque 2 por medio de la electroválvula de descarga de este mismo y al mismo tiempo que se está desocupando el tanque 2 se debe activar el agitador del tanque 3 por 4.5 minutos y se debe comenzar a llenar de solvente el tanque 3, por medio de su respectiva electroválvula de carga, con una cantidad de 7 litros. 7. Cuando el agitador del tanque 3 termine, se debe desocupar el tanque 3 por medio de la electroválvula de descarga correspondiente, pero debe tener en cuenta de que el jugo de naranja ya esté completamente en el pasteurizador (tanque 1) para ello se debe verificar el sensor de nivel bajo del tanque Cuando el néctar cítrico se haya pasado completamente al pasteurizador se debe cerrar la electroválvula de descarga correspondiente al depósito de este producto (Tanque 3). 9. Al mismo tiempo que se desocupa el tanque 3 se debe iniciar la carga del tanque 2 con 10 litros para procesar el siguiente lote de jugo y con esto se da comienzo al proceso nuevamente. El programa permite parar el proceso, es decir una vez accionado el botón de STOP el proceso termina el lote actual sin comenzar uno nuevo. Así mismo se tiene la facilidad de escoger el numero de lotes a producir (un lote corresponde a un lote de jugo de naranja como de néctar cítrico). Una vez definida y verificadas las condiciones iniciales del proceso (bit 2 en 1), se procede a descargar el programa JUGOS Y NECTARES CITRICOS.RSS en el controlador industrial Micrologix 1500, para esto se debe dar click sobre la pestaña OFFLINE ubicada en la parte superior izquierda y escoger la opción DOWNLOAD, ya descargado se debe pasar a modo RUN inmediatamente, así como se muestra en la figura 8.

15 Figura 8. Descarga del programa en el PLC Micrologix Interfaz de usuario. Una vez descarado el programa en el PLC se procede a cargar la interfaz de usuario la cual muestra el comportamiento del proceso paso a paso. Para esto primero se debe abrir el proyecto ubicado en la carpeta SUPERVISORIO JUGOS Y NECTARES CITRICOS con extensión.rsv, una vez abierto el archivo aparecerá una ventana como la que se muestra en la figura 9. Figura 9. Interfaz de usuario sistema de supervisión jugos y néctares cítricos. La ventana principal que se indica en la figura 9 consta de 3 partes, dos de ellas destinadas a la observación de los diagramas de instrumentación de la planta SED. Una tercera pestaña es la encargada de supervisar el comportamiento del proceso a lo largo de su ejecución.

16 Para su aplicación se debe proceder a correr el supervisorio, no sin antes ya haber descargado y corrido el programa ladder. Para esto se debe dar click en el icono superior play. Una vez en modo RUN el supervisorio estará listo para ser utilizado. Figura 10. Interfaz de usuario sistema de supervisión jugos y néctares cítricos. En la ventana se puede observar el comportamiento del volumen en tiempo real, la asignación por parte del usuario del número de batch o lotes a producir y los controles de inicio y parada del proceso. Para comenzar el proceso se debe primero digitar el numero de bath a producir, posteriormente se debe dar ENTER y click sobre el botón START. Nota: En el caso de parar el proceso (a través de STOP) se debe tener en cuenta que el sistema terminará de hacer el batch que se encuentra en ese momento en curso, una vez finalizado este no retornará para terminar el batch que se interrumpió.

17 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Teniendo en cuenta el proceso de producción de jugo y néctar de naranja, responder. a. Calcule el volumen de la solución de acido cítrico sacarosa y de emulsión de naranja de los tanques 4 y 5 respectivamente en el momento de ser cargados. Verificar los valores mostrados en el supervisorio con respecto a los planteados en la receta del proceso. En el caso de presentar inconsistencias a qué se debe esto? b. Cuál es la cantidad del jugo cítrico de naranja en el tanque correspondiente? Verificar los valores mostrados en el supervisorio con respecto a los planteados en la receta del proceso. c. Qué cantidad de materia prima hay en el tanque 3 antes de que este se llenara con el solvente (agua)? d. De acuerdo al proceso determinar cuánto es el tiempo que se tarda en la elaboración del jugo cítrico de naranja? Describir el procedimiento con base a los tiempos. e. De acuerdo al proceso determinar cuánto es el tiempo que se tarda en la elaboración del néctar cítrico de naranja? Describir el procedimiento con base a los tiempos. f. Calcular el tiempo necesario para la elaboración de un batch. g. Después de cada descarga de los tanques, que cantidad de jugo y néctar cítrico se desperdicia? Por qué? h. Calcular cual es la concentración de la solución de acido cítrico y sacarosa en el jugo de naranja. i. Calcular cual es la concentración de la solución de acido cítrico y sacarosa en el néctar de naranja. j. Calcular cual es la concentración de emulsión de naranja en el jugo. k. Calcular cual es la concentración de emulsión de naranja en el néctar.

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