sistema de monitoreo de flujo de dioxido de carbono
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DR. RAFAEL BELLOSO CHACIN
FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE ELECTRONICA
MENCION: AUTOMATIZACION Y CONTROL
SISTEMA DE MONITOREO DE FLUJO DE DIOXIDO DE CARBONO MEDIANTE UNA INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA EN LA EMPRESA C.A.
CERVECERIA REGIONAL
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO EN ELECTRONICA. MENCION: AUTOMATIZACION Y CONTROL
PRESENTADO POR: Br. ALFONZO PADILLA, ANTONIO
Br. ARTEAGA FERNANDEZ, CARLOS Br. ARTUZA LEON, FRANCISCO
ASESORADO POR: Dr. PARRA, FRANCISCO Dra. PEREZ, ELIZABETH Ing. MORILLO, NERVIS
MARACAIBO, NOVIEMBRE 2011
SISTEMA DE MONITOREO DE FLUJO DE DIOXIDO DE CARBONO
MEDIANTE UNA INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA EN LA EMPRESA C.A.
CERVECERIA REGIONAL
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DEDICATORIA
A mis padres, Nilda y Antonio, pilares fundamentales de mi vida que han
formado lo que soy hoy en día y han sido y serán mis ejemplos a seguir.
A mis hermanos, Aníbal y Alejandro, quienes también han sido de
apoyo para mí y me animan cada día a seguir trabajando, dando lo mejor de
mí.
A mi novia, Sharí, quien poco a poco ha formado una parte importante
en mi vida.
A mis familiares y a cada una de esas personas, que de algún modo
han influido en el desarrollo de mi vida y mis estudios, brindándome aportes
invaluables a lo largo de mi carrera.
Antonio Alfonzo
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DEDICATORIA
A Dios, por haberme permitido lograr todas las metas propuestas en mi
vida y darme vida para seguir cumpliendo muchas más.
A mis padres, Anne y María, por ser un pilar fundamental y un ejemplo
de lucha y constancia para lograr el desarrollo personal y profesional.
A mis hermanos, y todos los miembros de mi familia por su apoyo a lo
largo de mi carrera.
A mis amigos, por ser una ayuda incondicional y una fuerza de apoyo a
lo largo de mi vida y, en especial, mi carrera.
Carlos Arteaga
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DEDICATORIA
A Dios y la Virgen, por ser mis guías espirituales y por todos los dones
que me han dado ya que sin ellos no hubiese alcanzado esta nueva meta de
vida.
A mis padres, María Eugenia y Francisco, pilares fundamentales de mi
vida que me han apoyado en los momentos más difíciles tanto de mi carrera
como de mi vida y sobre todo por enseñarme que con humildad, sacrificio y
dedicación cualquier meta propuesta puede lograrse.
A mi sobrina, Camila, de la cual no tengo duda alguna tendrá un futuro
lleno de éxitos y grandes logros.
A mi novia y amiga, Andrea, quien desde la mitad de la carrera me ha
brindado todo su infinito amor, cariño, apoyo, comprensión y consejo para la
realización de esta meta.
A mis hermanas, Rosemary y Rossana, quienes por sus logros
académicos han sido mi ejemplo a seguir.
A mis abuelas, Julia y Dalia, quienes se han comportado como una
segunda madre durante toda mi vida.
Francisco Artuza
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AGRADECIMIENTO
A Dios todopoderoso, Jesucristo y la Virgen, por permitirnos lograr este
objetivo de manera satisfactoria.
A nuestros Padres, no solo por brindarnos su apoyo incondicional a lo
largo de nuestra investigación, sino también por acompañarnos en cada una
de las etapas de nuestra vida.
A nuestros tutores, Francisco Parra, Elizabeth Pérez y Nervis Morillo, por
guiarnos en el desarrollo de nuestra tesis, quienes con su tutela, han logrado
conducirnos a la correcta realización de este trabajo.
Al Ing. Freddy González, y todo el personal del departamento de
Mantenimiento Planta de la empresa C.A. Cervecería Regional, por
apoyarnos durante este año en diversas partes de nuestro proyecto de
investigación, formando parte fundamental en el progreso del mismo.
A nuestros amigos y compañeros de estudio, gracias a su amistad
nuestro paso por la universidad siempre estará lleno de gratos recuerdos.
A todas y cada una de las personas quienes nos han ofrecido y brindado
aportes indispensables para el desarrollo de esta investigación, para todos
ustedes, mil gracias.
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ALFONZO Antonio, ARTEAGA Carlos, ARTUZA Francisco. SISTEMA DE MONITOREO DE FLUJO DE DIOXIDO DE CARBONO MEDIANTE UNA INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA EN LA EMPRESA C.A. CERVECERIA REGIONAL. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Mención: Automatización y Control de Procesos. Maracaibo 2011.
RESUMEN
La presente investigación tiene como objetivo desarrollar un sistema de monitoreo de flujo de dióxido de carbono, mediante una interfaz hombre-máquina en la empresa C.A Cervecería Regional, Planta Maracaibo. El mismo se sustentó con las bases teóricas propuestas por Creus (2010), Peña (2003) y Malooney (2006). La investigación se considera un proyecto factible, proyectivo, descriptivo y de campo. Se utilizó como técnica de recolección de datos la observación documental y directa, así como también la entrevista no estructurada. Para el alcance satisfactorio del objetivo planteado se optó por ejecutar los lineamientos descritos por Savant (2000) y Angulo (1986), los cuales comprenden el Definir, Esquematizar, Adaptar, Codificar, Depurar y Emular. Estos pasos permitieron definir la problemática, analizar el problema y sus especificaciones, la esquematización general del hardware y su adaptación con el software, la codificación del programa, su depuración y emulación para luego finalizar el diseño estudiando su desempeño. Con respecto a la viabilidad de la propuesta, no sólo se logra agilizar el proceso actual de lectura de las gráficas de flujo de CO2, llevando un registro automático en fichero digital, sino que también se afirma su rentabilidad, ya que la implementación del sistema de monitoreo desarrollado proporcionará facilidad a la hora de tomar decisiones sobre la variable medida, además de ahorro en mantenimiento de equipos de registro. Dando como resultado un proyecto viable y rentable, y recomendando su implementación por ser factible. PALABRAS CLAVE: Monitoreo, Interfaz, Hmi, Sistema.
xi
ALFONZO Antonio, ARTEAGA Carlos, ARTUZA Francisco. FLOW MONITORING SYSTEM FOR CARBON DIOXIDE THROUGH A HUMAN-MACHINE INTERFACE, APPLIED ON C.A. CERVECERÍA REGIONAL. Dr. Rafael Belloso Chacin University. Engineering Faculty. School of Electronics. Mention: Automation and Process Control. Maracaibo 2011.
ABSTRACT This research aims to the development of a flow monitoring system for carbon dioxide through a Human-Machine Interface, applied on C.A. Cervecería Regional. This research was based on the theories by Creus (2010), Peña (2003) and Malooney (2006). The research is considered as a feasible, projective, descriptive, and field project. As a data collection technique was used the documental and direct observation, as well as the unstructured interview. To reach the goal set satisfying was chosen the foundations proposed by Savant (2000) and Angulo (1986), which are structured by Define, Schematize, Adapt, Codify, Debug and Emulate. These steps allowed define the problem and its specifications, the general schematic of hardware and software adaptation, the program coding, debug and emulation and then study its performance. About the proposal viability, not only makes the data acquisition process for carbon dioxide flow faster, by leading a automatic registry in a digital archive, but also affirms its profitability, because the implementation of the monitoring system will provide an easy decision making over the measured variable, addition to savings in equipment maintenance. Giving as a result a viable and profitable project, and suggesting its implementation. KEY WORDS: Monitoring, Interface, Hmi, System.
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ÍNDICE GENERAL
VEREDICTOS III
DEDICATORIAS VI
AGRADECIMIENTO IX
RESUMEN X
ABSTRACT XI
INDICE GENERAL XII
INDICE DE FIGURAS XVI
INDICE DE TABLAS XVIII
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO I
I. EL PROBLEMA 5
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 5
1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 8
2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 9
2.1. OBJETIVO GENERAL 9
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 9
3. JUSTIFICACIÓN 9
4. DELIMITACIÓN 12
II. MARCO TEÓRICO 14
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN 14
xiii
2. BASES TEÓRICAS 19
2.1. SISTEMA DE MONITOREO 19
2.1.1. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) 20
2.1.1.1. CLASIFICACIÓN DEL PLC 21
(A) PLC NANO 21
(B) PLC COMPACTO 21
(C) PLC MODULAR 21
2.1.1.2. ARQUITECTURA EXTERNA 22
(A) MÓDULOS DE ENTRADAS Y SALIDAS DIGITALES 23
(B) MÓDULOS DE ENTRADA Y SALIDA ANALÓGICA 23
(C) MÓDULOS DE COMUNICACIÓN 23
2.1.1.3. PROGRAMACIÓN DEL PLC 24
(A) VERSIONES TEXTUALES 24
(a) LISTA DE INSTRUCCIONES 24
(b) TEXTO ESTRUCTURADO 24
(B) VERSIONES GRAFICAS 24
(a) DIAGRAMA DE ESCALERA 25
(b) DIAGRAMA DE BLOQUES FUNCIONALES 25
(C) STEP7 25
2.1.2. INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA 25
2.1.2.1. OBJETIVOS DE LA INTERFAZ HOMBRE-
MAQUINA
25
xiv
2.1.2.2. WINCCFLEXIBLE 26
2.1.3. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN 26
2.1.3.1. MODBUS 26
2.1.3.2. ETHERNET 27
2.1.3.3. NORMAS DE COMUNICACIÓN DE SISTEMAS 28
(A) RS-232 28
(B) RS-422 29
(C) RS-485 29
2.2. MEDICIÓN DE CAUDAL O FLUJO 30
2.2.1. MEDIDORES VOLUMÉTRICOS 31
2.2.1.1. INSTRUMENTOS DE PRESIÓN DIFERENCIAL 31
(A) PLACA ORIFICIO O DIAFRAGMA 31
(B) TOBERA 34
(C) TUBO VENTURI 34
2.2.1.2. ÁREA VARIABLE 36
2.2.1.3. TORBELLINO Y VORTEX 36
2.2.2. MEDIDORES CAUDAL MASA 38
2.2.2.1. MEDICIÓN DIRECTA DEL CAUDAL MASA 39
(A) MEDIDORES TÉRMICOS DE CAUDAL 39
(B) MEDIDORES DE MOMENTO ANGULAR 41
2.3. DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) 42
2.3.1. COMPOSICIÓN QUIMICA DEL CO2 43
xv
2.3.2. CO2 EN LA PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS 43
3. SISTEMA DE VARIABLES 45
III. MARCO METODOLÓGICO 48
1. TIPO DE INVESTIGACIÓN 48
2. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS 49
3. METODOLOGÍA SELECCIONADA 51
4. CUADRO DE ACTIVIDADES 55
IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION 58
1. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 58
1.1. DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA 58
1.2. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS 91
CONCLUSIONES 95
RECOMENDACIONES 99
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 100
ANEXOS 103
xvi
ÍNDICE DE FIGURAS
1. TEOREMA DE BERNOULLI 31
2. DISPOSICIÓN DE LAS TOMAS DE PRESIÓN DIFERENCIAL 32
3. TIPO DE ORIFICIOS EN LAS PLACAS 33
4. TOBERA 34
5. TUBO VENTURI 35
6. ROTÁMETRO 36
7. MEDIDORES DE CAUDAL POR TORBELLINO Y VORTEX 37
8. MEDIDOR TÉRMICO 41
9. UBICACIÓN DE LOS FLUJÓMETROS 61
10. REGISTRADORES HONEYWELL – TRULINE 61
11. IMPRESIÓN DEL REGISTRADOR 61
12. FLUJÓMETRO PROWIRL 77 ENDRESS+HAUSER 62
13. FLUJÓMETRO ABB AM54332 62
14. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO 67
15. SÍMBOLO DE MONTAJE LOCAL DEL INSTRUMENTO 69
16. SÍMBOLO DE MONTAJE EN PANEL (ACCESIBLE AL
OPERADOR)
70
17. SÍMBOLO DEL TRANSMISOR E INDICADOR DE FLUJO 70
18. SÍMBOLO DE REGISTRADOR E INDICADOR DE FLUJO 71
19. SIMBOLOGÍA PARA LA CONEXIÓN DE ELEMENTOS 71
xvii
20. SÍMBOLO DEL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE PLC 72
21. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE INSTRUMENTACIÓN 72
22. CIRCUITO DE CONEXIÓN ENTRE EL TRANSMISOR,
REGISTRADOR Y PLC
74
23. DIAGRAMA DE ENTRADAS AL MÓDULO DEL PLC 75
24. ADAPTADOR DE PLC S7300 CON CONVERTIDOR USB/MPI 76
25. PANEL PRINCIPAL DEL SIMATIC MANAGER 78
26. BLOQUE DE FUNCIÓN FB1 CONTENIDO EN LA FUNCIÓN FC5 79
27. DIRECCIONES DEL DB DE INSTANCIA DEL FB1 80
28. LÓGICA DE PROGRAMACIÓN (PARTE 1) 81
29. LÓGICA DE PROGRAMACIÓN (PARTE 2) 82
30. PANEL PRINCIPAL DE WINCC FLEXIBLE 2007 83
31. EDICIÓN DEL MENÚ PRINCIPAL DEL SISTEMA DE
MONITOREO
84
32. EDICIÓN DEL SUBMENÚ PARA EL REGISTRO DEL SISTEMA
DE MONITOREO
85
33. MENÚ DE VARIABLES DE LA HMI 86
34. INTERFAZ DEL PLCSIM 87
35. SISTEMA DE MONITOREO EN FUNCIONAMIENTO 90
xviii
ÍNDICE DE TABLAS
1. LÍNEAS DEL SISTEMA DE RECUPERACIÓN Y CONSUMO DE CO2 59
2. EQUIPOS DEL ACTUAL SISTEMA DE REGISTRO 60
3. IDENTIFICACIÓN DE LA CONFIGURACIÓN DE CADA
TRANSMISOR
64
4. DATOS IDEALES PARA OBTENER EN LA SIMULACIÓN 88
INTRODUCCIÓN
A principios de la era industrial, todos los procesos comenzaron siendo
manufactureros en todo su potencial, teniendo bajos índices de producción y
sobre trabajo humano, causando daños físicos los trabajadores. Bajo estos
problemas nace la necesidad de crear líneas de procesos con sistemas en
movimiento que permitieran agilizar la producción en masa de productos.
Con este propósito nacen los automatismos bajo sistemas eléctricos que
permitían la activación de equipos, mediante relés y contactores, para
establecer un sistema de producción único e independiente Las desventajas
de estos sistemas son el espacio físico ocupado por los tableros con relés y
contactores, y que al operario, que se encontraba a cargo de este tipo de
instalaciones, se le exigía tener altos conocimientos técnicos para poder
realizarlas y posteriormente mantenerlas, y tener una amplia visión de su
estructura.
Los controladores lógicos programables nacen ante la necesidad de la
industria automovilística estadounidense, para suplantar a este control
cableado, y debían cumplir ciertos atributos, como tolerar bruscas
condiciones ambientales, entradas y salidas discretas y de forma expansible,
no requeriría años de entrenamiento para su uso y permitiría monitorear la
operación; además de poseer una alta velocidad para el control. En la
actualidad, los controles automáticos por medios eléctricos han sido
desplazados.
2
El ordenador y los autómatas programables han intervenido de forma
considerable para que las instalaciones eléctricas cableadas se hayan visto
sustituidas por otras controladas de forma programada, observándose así el
papel fundamental que éstas últimas ocupan en las industrias.
En la industria cervecera, los procesos de producción han ido
evolucionando en función de las necesidades que se presentan, de manera
tal de ser capaces de competir en el mercado nacional e internacional,
elaborando siempre un producto de alta calidad que logre la aceptación y
conformidad del consumidor, producción en la cual la automatización y el
monitoreo juegan un papel fundamental.
En consecuencia de ello, la presente investigación se realizó con el
propósito de desarrollar un sistema de monitoreo de flujo de dióxido de
carbono mediante un Interfaz Hombre-Máquina (IHM) en la empresa C.A.
Cervecería Regional. El mismo, se realizó acorde a las exigencias requeridas
por el proceso de producción de cerveza y contando con equipos y software
aplicados en la automatización industrial.
Para el correcto orden y desarrollo de la investigación, la misma se
dividió, con fines metodológicos, en 4 capítulos a saber:
El primero; consiste en un enfoque del problema planteado a resolverse y
de los objetivos a cubrir, tomando en cuenta la justificación por la cual se
está realizando la investigación, su importancia y la delimitación de la misma.
El segundo capítulo; se refiere al elaboración del marco teórico,
antecedentes de investigaciones que influyeron en la realización de este
3
trabajo, las bases teóricas sobre el tema de estudio, las cuales apoyan el
desarrollo del mismo y el sistema de variables donde se describen
respectivamente las variables de estudio que componen esta investigación..
El tercer capítulo; establece toda la información referente al marco
metodológico, esta misma abarca: el tipo y diseño de la investigación, la
metodología seleccionada y las técnicas de recolección de datos.
Para finalizar el cuarto y último capítulo; muestra el desarrollo de la
metodología empleada. Así mismo se mencionan las respectivas
recomendaciones para la empresa donde se realizó la investigación, con los
resultados obtenidos y las conclusiones inherentes.