Diseño e implementación de un sistema de control y monitoreo de
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1. Dise o e implementaci n de un sistema de control y monitoreo de manejo de lotes para los procesos de almacenaje transporte y despacho de materias primas en los predios de una planta de elaboraci n de cerveza Mario Augusto Ortiz Campos Cesar Antonio Martin Moreno Ingeniero Electr nico Industrial 2006 Facultad de Ingenier a en Electricidad y Computaci n Escuela Superior Polit cnica del Litoral mortizOccn com ec Ingeniero Electr nico Facultad de Ingenier a en Electricidad y Computaci n Escuela Superior Polit cnica del Litoral 1993 Master en Administraci n de Empresas Escuela Superior Polit cnica del Litoral 1996 Master en Ciencias de la Ingenier a El ctrica Arizona State University 2005 Profesor de ESPOL desde 1996 Campus Polit cnico Prosperina Km 30 5 V a Perimetral Guayaquil Ecuador cmartin Oespol edu ec Resumen El sistema de manejo de granos constituye la primera fase en el proceso de elaboraci n de cerveza y desempe a un papel muy importante en la dosificaci n de materias primas El siguiente articulo presenta la implementaci n de un sistema de control capaz de manejar los procesos de recepci n transporte almacenaje y despacho de dos tipos de productos arroz y malta cebada malteada este ltimo utilizado en diferentes variedades Se considera el control de lotes y dosificaci n de materias primas con la utilizaci n de un software de manejo de recetas de producci n para2. total y su solidaridad De acuerdo a esta definici n la programaci n estructurada consiste en la descomposici n de un trabajo en varias tareas independientes autocontenidas y f ciles de comprender Cada una de estas tareas se dise a por separado y un programa maestro define cuando se corre cada tarea y controla el conjunto A continuaci n se detallan los principales bloques de control utilizados en la implementaci n TRANSMISORES SENSORES PARAMETROS REALES Bloques de organizaci n OB Bloque de seguridades Bloques de control Bloques de proceso Varios CAPITULO IV IV COSTOS DE IMPLEMENTACION Y RETORNO DE LA I NVERSI ON Entre los principales costos necesarios en la implementaci n de nuestro trabajo constan los siguientes 4 1 Costo de equipos 4 2 Costo de materiales 4 3 Costo de mano de obra El costo final de la ejecuci n de trabajos se detalla a continuaci n 131 509 10 Costo equipos 25 899 49 Costo materiales Costo mano de obra 13 565 50 Costo Balanzas electr nicas 61 190 00 Costo Molino de martillos Costo filtro de mangas 54 210 00 44 130 00 Costo transportadores 85 342 22 COSTO TOTAL 330 504 09 A fin de evaluar la rentabilidad del proyecto se realiza un an lisis econ mico con el uso de las funciones VAN y TIR a detallarse a continuaci n se estim para efectos de calculo una inflaci n del 2 anual Calculo de valor
3. 7 Siemens 7 Manual de Usuario MANUAL DE BAJA TENSION criterios de selecci n de aparatos de maniobra e indicaciones para el proyecto de instalaciones y distribuci n Siemens 8 Manual de Usuario SIRIUS System Manual 2 Edici n Siemens 9 Norma el ctrica NEC 1999 C digo El ctrico Nacional 10 Catalogo T cnico Industrial Measurement Technology General Specifications Endress Hauser Abril 2005 11 Catalogo T cnico INDUSTRIAL COMUNICATION Comunicaci n industrial para Automation and Drivers Siemens 12 Catalogo T cnico 13 14 15 16 SIMATIC NET Industrial Ethernet Siemens White Paper rev Oct 1999 Catalogo T cnico SIMATIC NET Industrial Communication with PG PC Siemens rev Nov 2003 Catalogo T cnico Sistema de automatizaci n S7 400 datos de las CPU Siemens rev abril 2004 Catalogo T cnico SIMATIC NET Twisted Pair and Fiber Optic Networks Siemens rev mayo 2005 Manual de entrenamiento WONDERWARE CORPORATION Intouch 8 0 Advanced Training Manual
4. TO A continuaci n se detallan los principales trabajos realizados durante la instalaci n y puesta en funcionamiento de equipos Calibraci n de Instrumentos de Nivel Calibraci n de Temperatura Protocolo de pruebas de funcionamiento de equipos De este ltimo resalta el siguiente diagrama de flujo de trabajos Prueba equipos Pre 1 implementaci n 2 Prueba equipos durante implementaci n Test equipos post 3 implementaci n puesta en funcionamiento producci n Prueba de equipos Pre implementaci n Una vez terminados los trabajos de campo instalaci n y montaje de equipos es necesaria la verificaci n de secuencias y correcto cableado Para esto se realizan pruebas en arrancadores tiempos de arranque verificaci n de se ales y verificaci n de secuencia del programa comunicaci n y operaci n de recetas se utiliza la simulaci n de la aplicaci n Prueba de equipos durante implementaci n Cada dispositivo de mando motores compuertas etc requieren su verificaci n de sentido de accionamiento a continuaci n se detallan las pruebas requeridas e Verificaci n de sentido de accionamiento de compuertas e Verificaci n de sentido de marcha de motores e Verificaci n de bloqueos e Ajuste de tiempos en arrancadores Y Delta Pruebas de equipos post implementaci n El arranque de la secuencia en producci n implica principalmente el ajuste de los siguientes par met
5. a transportaci n de malta y arrocillo en aproximadamente un 50 adem s de la f cil identificaci n de fallas y soluci n de las mismas esto no ser a posible sin la implementaci n de un sistema de administracion de lotes una detallada visualizaci n de fallas y la necesaria instrumentaci n de campo En la dosificaci n de materias primas hemos conseguido una disminuci n del error entre la cantidad fijada y real a porcentajes menores al 0 8 en malta y al 0 6 en adjuntos El tiempo estimado del retorno de la inversi n es de aproximadamente dos a os que obviamente dependen de las proyecciones de producci n para efectos de c lculos consideramos un crecimiento normal del 5 anual La r pida difusi n de ethernet en las redes domesticas LAN WAN etc y en la industria a trav s de Industral Ethernet nos obligan a tomar precauciones al momento de su implementaci n en el proceso aunque toda la informaci n de planta pude viajar por el mismo medio se recomienda su separaci n a trav s de la utilizaci n de gateways y o restricciones de acceso a direcciones IP desconocidas en los servidores industriales La inversi n en tecnolog as de automatizaci n en nuestro pa s debe considerarse como una estrategia clave de competitividad no invertir en esta tecnolog a o sin un plan estrat gico claramente definido meta puede provocar ser desplazado por la competencia Finalmente las nuevas tendencias del momento obl
6. actual neto VAN Esta funci n nos proporciona el valor actualizado de los rendimientos es decir los ingresos actualizados para obtener el beneficio habr que restarle la inversi n inicial As el c lculo del VAN ser VAN flujo caja a o 1 1 ts flujo caja a o 2 1 ts flujo caja a o n 1 ts inversi n inicial Donde ts tasa de inversi n anual 14 Flujo caja valor entre los ahorros obtenidos y los gastos generados anualmente libre de impuestos Calculo de la tasa interna de rendimiento de inversi n TIR Esta funci n calcula la tasa interna de rendimiento La TIR es el tipo de inter s que anula el VAN de una inversi n VAN 0 Se utiliza tambi n para analizar la rentabilidad de una inversi n temporal Como regla general una inversi n cuya TIR sea mayor que el coste de capital se puede considerar rentable Los resultados obtenidos se muestran a continuaci n VAN 10 149 758 TIR 150 09 Tiempo de recuperaci n 2 a os De aqu se puede notar que el tiempo de recuperaci n de la inversi n es de 2 a os por lo que podemos considerar un proyecto t cnico y econ micamente atractivo cabe mencionar que todos los costos son llevados a valores presentes para efectos de c lculos se considera adem s una vida til de 10 a os para los equipos y el 25 de impuestos sobre estos CAPITULO V V CALIBRACI N Y PUESTA EN FUNCIONAMIEN
7. bus Profibus DP Introducci n El sistema de control actual encargado de la dosificaci n de materias primas basa su funcionamiento en la utilizaci n de l gica de rel s contactores y cables de se ales todos ellos implementados en la instalaci n original de f brica 1979 El sistema de control existente no responde a todas las necesidades actuales y no permite la conectividad a nuevas tecnolog as La realizaci n de este trabajo responde a los siguientes objetivos gt Garantizar un proceso seguro y eficaz mediante un sistema de control ptimo gt Garantizar la correcta limpieza y calidad f sica del grano durante su recepci n transporte y almacenaje evitando perdidas mediante la implementaci n de nuevos equipos de monitoreo y control gt Asegurar la correcta dosificaci n de materias primas y manejo de inventarios a trav s de la implementaci n de un sistema de manejo de lotes gt Ajustarse a las nuevas necesidades de crecimiento a trav s del uso de una plataforma de control moderna La seguridad del sistema est basada en la implantaci n de verificaciones de operaci n y funcionamiento de los equipos mediante la utilizaci n de bloqueos externos por conexiones y por software mediante utilizaci n de un PLC principal con sus respectivos terminales para entradas salidas conectados a trav s de una red industrial de campo Para garantizar la limpieza y consistencia del producto se utilizaran nue
8. ci n del PLC y las redes de comunicaci n se eliminan varios problemas como la gran cantidad de cableado la baja flexibilidad de los circuitos el ctricos y eliminaci n de tiempos por paradas pero aparecen nuevas necesidades como la obtenci n de inventarios de producci n generaci n de programas de producci n que obligan a la introducci n de sistemas de c mputo en la industria Es as que en la actualidad es dif cil pensar en un sistema autom tico sin la intervenci n de equipos de c mputo A continuaci n mostramos la ELEMENTOS FINALES PARAMETROS INGRESADOS estructura en bloques del sistema de control propuesto INTERFASE OPERADOR DE CONTROL j l peomtavaeseaoo lt gt veuauzacon l Controlador PROCESO CAPITULO IlI 111 PROGRAMACI N 3 1Programaci n estructurada En la medida en que la programaci n requerida para una aplicaci n crece puede dar como resultado un programa engorroso y de dif cil mantenimiento Han surgido entonces varios m todos complementarios que tienen por objetivo facilitar el dise o del programa de aplicaci n Estos m todos se conocen como programaci n estructurada Seg n la definici n del diccionario Una estructura es un conjunto de elementos solidarios entre si que integran una totalidad de la cual son miembros y no partes constituyendo un todo y no una suma Los miembros se caracterizan por su independencia su articulaci n en la forma
9. igan a la constante actualizaci n de las industrias al conocimiento de nuevas herramientas de dise o en automatizaci n industrial y a la constante actualizaci n de conocimientos En nuestro trabajo hemos dado dos pasos importantes la implementaci n de un sistema robusto de control y otro de gesti n de producci n para obtener mejores resultados se recomienda la implementaci n a futuro de herramientas de transferencia de informaci n de proceso hacia un Sistema de Planificaci n de recursos ERP enterprise resource planning Esperamos que este peque o aporte a la automatizaci n ecuatoriana implementado con la ayuda de personal netamente local sea un estimulo para se incentive el dise o de nuevas herramientas de control aplicables a nuestra industria BIBLIOGRAFIA 1 Libro ING SERGIO SZKLANNY ING CARLOS BEHRENDS Sistemas Digitales de Control de Procesos 2 Edici n Editorial Control S R L 2 Libro ANTONIO CREUS Instrumentaci n Industrial 6ta edici n Alfa Omega Marcombo 3 Libro ING FRANCISCO FERRERO Cervecer a Polar C A Control De Procesos Cerveceros a trav s de S 88 4 Libro PERRY S MARSHALL Y JOHN S RINALDI Industrial Ethernet 2 Edition 5 Guia de Usuario InBatch Premier User s Guide Wonderware for version 8 0 rev oct 2001 6 Libro JOSEF WEIGMANN GERHARD KILIAN Decentralization with PROFIBUS DP DPVA Structure configuration and use of PROFIBUS DP with SIMATIC S
10. lo cual se dise a un nuevo modelo de proceso que incluye sus respectivas unidades fases y variables de operaci n Para el monitoreo y control del proceso se implementa un sistema SCADA Sistema de control y adquisici n de datos instalado en varios computadores El control l gico de rutinas de funcionamiento se programa en un PLC principal que integra varios m dulos remotos de adquisici n de se ales mediante la utilizaci n de una red industrial Profibus DP Abstract The system of managing grain constitutes the first phase in the process of elaboration beer and recovers a very important role in the dosing of ingredients The following article presents the implementation of a system of control capable manages the processes receipt transport storage and distribution of two types of products rice and malt the last one used in different varieties I consider the control of batch production and dosing of ingredients by the utilization of software of managing recipe of production for which there is designed a new model of process that includes your respective ones units phases and variables of operation For the monitoring and control of the process there is implemented a system SCADA System of control and acquisition of data installed in several computers The logical control of routines of functioning is programmed in a principal PLC that integrates several remote modules of acquisition of signals with the utilization of an industrial
11. ros e Ajuste de secuencia de equipos e Ajuste de tiempos de encendido de equipos e Asignaci n definitiva de par metros de receta e Calibraci n de instrumentos y e Eliminaci n de fallas Finalmente se procede al los ajustes finales de tiempos de operaci n de los equipos CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En la industria ecuatoriana y particularmente en la alimenticia la implementaci n de nuevos sistemas de automatizaci n han generado considerables ahorros en producci n mejora en calidad y dem s beneficios ya conocidos por nosotros esto ha originado una creciente demanda de personal especializado y la creaci n de herramientas cada vez mas eficientes y r pidas de implementar Al mencionar nuevos sistemas no se descarta la imposici n de soluciones cerradas y raramente conocidas por personal t cnico local por este motivo la presentaci n de este trabajo propone una nueva herramienta de r pida implementaci n f cil uso y aplicable en el manejo de cualquier sistema de control cont nuo en la industria Hemos utilizado como herramienta de control de proceso como hacerlo un Controlador L gico Programable PLC sin importar la marca y como sistema de gesti n y administraci n de lotes de producci n que hacer al software InBatch que bien puede dise arse de manera local pero seria otro tema de estudio El desarrollo de bloques en la programaci n las unidades de procesamiento y graficas para el moni
12. toreo se ha realizado pensando siempre en la estandarizaci n recordemos que en la industria siempre existir n elementos discretos motores v lvulas y an logos variadores posicionadores a controlar En el siguiente resumen detallamos las principales ventajas obtenidas y recomendaciones de nuestra nueva implementaci n 1 Para lograr los objetivos planteados en una nueva soluci n es necesaria la fijaci n de metas y una correcta planificaci n de actividades en la que se incluya el conocimiento del proceso un levantamiento real de se ales de campo y la correcta operaci n de equipos Los instrumentos de campo y principalmente los sensores de presencia de grano deben calibrarse en sitio utilizando los materiales de contacto a operar en nuestro caso la malta y el arrocillo presentan diferentes capacidades diel ctricas que dependen del tipo de material utilizado y el ambiente que lo rodea humedad temperatura El rea de manejo de granos es la primera experiencia utilizando un sistema de manejo de lotes en la planta hemos logrado que estos procesos adquieran mayor capacidad para adaptarse a los cambios en el mercado Por lo que consideramos que el est ndar S 88 debe ser tomado seriamente en cuenta para proyectos de automatizaci n de procesos batch en industrias cerveceras o alimenticias independientemente su tama o o capacidad Como resultado de nuestra implementaci n hemos logrado reducir los tiempos en l
13. vos equipos de instrumentaci n que se conectaran a un PLC principal y en tres computadores para su monitoreo Para el control en la dosificaci n de materias primas se ha considerado la implantaci n de recetas de proceso mediante la utilizaci n de un software de control de lotes a integrar en dos servidores principal y redundante La transferencia de informaci n entre el PLC principal los equipos de monitoreo y de manejo de lotes se realiza mediante una red industrial ethernet CONTENI DO l DESCRIPCI N DE PROCESOS El rea de manejo de granos se encarga de recibir las materias primas almacenarlas y distribuirlas hacia el rea de cocci n para su posterior utilizaci n Las principales materias primas utilizadas en la elaboraci n de cervezas son las siguientes Adjuntos Los m s comunes son los provenientes de s mola de ma z jarabe y arroz partido este ltimo el m s utilizado en plantas cerveceras Malta Grano germinado y tostado en la industria el m s utilizado proveniente de cebada materia prima principal en la industria cervecera Existe una amplia gama de variedades las principales son PRESTIGE GAIRDNER SCARLETT MECALFE HARRINGTON El transporte y manejo del grano se realiza con la ayuda de equipos distribuidos convenientemente entre siete niveles e interconectados entre si de acuerdo a la siguiente figura CAPITULO II DISE O Y SELECCION DE EQUI POS DE CONTROL Con la apari
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