DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL Y SUPERVISIÓN DE CARGUE Y DESCARGUE DE GRANOS PARA PUERTOS USANDO PLC Y SCADA.

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DISEÑ Y MULACIÓN DEL STEMA DE CNTRL Y SUPERVIÓN DE CARGUE Y DESCARGUE DE GRANS PARA PUERTS USAND PLC Y SCADA. JUAN CARLS MAYA PATERNINA CDIG: UNIVERDAD TECNLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS
DISEÑ Y MULACIÓN DEL STEMA DE CNTRL Y SUPERVIÓN DE CARGUE Y DESCARGUE DE GRANS PARA PUERTS USAND PLC Y SCADA. JUAN CARLS MAYA PATERNINA CDIG: UNIVERDAD TECNLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS PRGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA PEREIRA 2016. DISEÑ Y MULACIÓN DEL STEMA DE CNTRL Y SUPERVIÓN DE CARGUE Y DESCARGUE DE GRANS PARA PUERTS USAND PLC Y SCADA. JUAN CARLS MAYA PATERNINA CDIG: PRYECT DE GRAD DIRECTR: M. Sc. MAURICI HLGUÍN UNIVERDAD TECNLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS PRGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA PEREIRA 2016. Nota de aceptación: Director M. Sc MAURICI HLGUÍN LNDÑ Jurado Director del programa de Ingeniería electrónica Pereira, diciembre de AGRADECIMIENTS A Dios en primer lugar por estar siempre a mi lado dándome sabiduría y entendimiento A mi madre, hermanos y abuelos que siempre estuvieron atentos a mi desempeño y me dieron ánimo y apoyo para seguir adelante. A mi novia Ana, quien en esta etapa final de mi carrera siempre me apoyo para conseguir el objetivo de ser un profesional. A mi compañero Walter cano por su apoyo incondicional. A la empresa GL Ingenieros por darme la oportunidad de crecer y formarme como persona y como profesional. Al ingeniero Mauricio Holguín, quien me guío a través del desarrollo de este proyecto. GRACIAS. 4 TABLA DE CNTENID 1 DEFINICIÓN DEL PRBLEMA JUSTIFICACIÓN BJETIVS STEMAS PRTUARIS DEFINICIÓN DE SENSR SENSRES INDUCTIVS DE PRIMIDAD SENSRES DE CNTACT CNTRLADR LÓGIC PRGRAMABLE (PLC) Estructura interna Funcionamiento del PLC Clasificación de los PLC Sistemas I/ Distribuido Norma IEC Lenguaje de programación GUÍA GEMMA ARRANQUES MTRES TRIFÁCS SÍMBLS GRÁFICS CRITERIS DE SELECCIÓN DE PRTECCINES Y CNTACTRES PARA MTRES Coordinación tipo Coordinación tipo Coordinación total Categorías de uso para la protección de los motores Categoría AC Categoría AC Categoría AC Categoría AC REDES DE CMUNICACIÓN Periferia descentralizada Determinismo Arquitecturas de comunicación Profinet 14 SUPERVIÓN Sistema SCADA Arquitectura del sistema de supervisión IMPLEMENTACIN DEL STEMA DE AUTMATIZACIN Etapa E Etapa E Elementos de fuerza Elementos de instrumentación Elaboración de planos de control Etapa E Etapa E Etapa E Etapa E Etapa E Diagrama de flujo general de las rutas del sistema Diagrama de flujo descarga de silo Etapa E Etapa E Selección de PLC Selección de sistema de comunicación La arquitectura del sistema Etapa E Etapa E ANÁLIS DE RESULTADS CNCLUNES BIBLIGRAFIA ILUSTRACINES Ilustración 1 Elementos básicos de un sensor Ilustración 2 Conexión NPN Ilustración 3 Conexión PNP Ilustración 4 Conexión de un sensor inductivo Ilustración 5 Elementos de un sensor inductivo básico Ilustración 6 Conexión de un final de carrera como normalmente cerrado Ilustración 7 Representación diagrama ladder Ilustración 8 Representación diagrama de bloques funcionales Ilustración 9 Representación lenguaje de texto estructurado Ilustración 10 Representación listas de instrucciones Ilustración 11 Representación bloques de funciones secuenciales Ilustración 12 Modos de funcionamientos Ilustración 13 Símbolos eléctrico de la norma IEC Ilustración 14 Arquitectura cliente-servidor Ilustración 15 Grafcet descriptivo cargue bodega Ilustración 16 Grafcet descriptivo descargue bodegas Ilustración 17 Típico fuerza arranque directo Ilustración 18 Control arranque directo Ilustración 19 Típico fuerza inversor de giro Ilustración 20 control inversor de giro Ilustración 21 Típico fuerza arrancador suave Ilustración 22 Control arranque suave Ilustración 23 Caminos de evolución guía gemma Ilustración 24 Condiciones de evolución guía gemma Ilustración 25 Diagrama de flujo general Ilustración 26 Diagrama de flujo ruta descargue silo Ilustración 27 Composición de estación descentralizada ET Ilustración 28 Arquitectura de comunicación TABLAS Tabla 1 Elementos de fuerza centro de control de motores Tabla 2 Elementos de fuerza centro de control de motores Tabla 3 Elementos de fuerza centro de control de motores Tabla 4 Elementos de control en el centro de control de motores Tabla 5 Elementos de control en el centro de control de motores Tabla 6 Elementos de control en el centro de control de motores Tabla 7 Matriz de elementos y rutas Tabla 8 Módulos y direcciones de la estación central Tabla 9 Módulos y direcciones de la estacion desentralizada Tabla 10 Módulos y direcciones de la estacion descentralizada Tabla 11 Módulos y direcciones de la estación descentralizada Tabla 12 Módulos y direcciones de la estación descentralizada Tabla de Anexos Anexo 1. Pantallas y ventanas emergentes Anexo 2. Grafcet completo de tercer nivel Anexo 3. Instalación, implementación Anexo 4. Planos de control del sistema 9 PARTE I INTRDUCCIÓN. 10 1 DEFINICIÓN DEL PRBLEMA La firma de los tratados de libre comercio que ha realizado el país, ha tenido como consecuencia un incremento en la actividad portuaria, por lo cual y en busca de ser competitivo se pretende realizar un mejoramiento en dichos procesos que conlleve a una operación segura, rápida y eficiente. Hasta hace algunos años las actividades portuarias realizadas en forma manual eran aceptables, debido a la baja intensidad de la misma, sin embargo, en la actualidad donde se ha visto un incremento de esta actividad y una mayor exigencia en la normatividad aplicable, este tipo de operación manual ha resultado ser la menos adecuada para los desafíos económicos que el país debe afrontar en la actualidad. La operación rentable de los puertos graneleros consiste básicamente en el descargue de buques y despacho de granos y no en el almacenamiento del producto, aunque el almacenamiento temporal sea requerido, este no debe ser muy prolongado ya que el ingreso por este concepto es muy bajo [1]. Como cualquier tipo de actividad industrial, la actividad portuaria debe ser, sobre todo segura, logrando que su operación tenga niveles adecuados de seguridad para las personas, el medio ambiente y las máquinas. Dentro de los objetivos que se deben buscar para la operación rentable de los puertos, está minimizar los tiempos muertos no justificados generados por fallas técnicas u operación ineficiente del sistema. Lo anterior debido a que tener un buque parqueado en un puerto genera penalidades económicas y un cese de ingresos al puerto ya que a este se le paga por toneladas horas descargadas y toneladas horas despachadas. Bajo este contexto se plantea la siguiente pregunta: Es posible diseñar un sistema de control automático que permita mejorar los procesos de cargue y descargue en los puertos graneleros? 11 2 JUSTIFICACIÓN La automatización industrial hace parte de las principales soluciones a un alto número de problemas que se llevan a cabo en los procesos que desarrollan las industrias, comprendiendo labores de mantenimiento, aumento de productividad, confiabilidad y seguridad (al apartar al humano de la intervención en acciones que impliquen riesgos), todo lo cual se ha logrado a través de la implementación de la automatización [2]. La importancia de implementar un sistema de control con autómatas programables (tales como los PLC que son capaces de recibir señales de campo, procesarlas y generar acciones sobre los procesos y equipos de supervisión) y adquisición y administración de datos (como los sistemas SCADA, que manejan la gestión de la información reflejada por la supervisión de variables de proceso, tendencias, alarmas, base de datos, entre otros) [3] radica en que el sistema controlado se vuelve más autónomo, eficiente y se reducen los factores de riesgos, generando más productividad. De la automatización del proceso de cargue y descargue en puertos graneleros se debe aprovechar los recursos existentes, tales como: silos, bodegas, elevadores, bandas entre otros elementos existentes y que actualmente se están operando de forma manual. La importancia de estos equipos radica en que permite el transporte del producto al interior del puerto, desde el buque hasta el lugar de almacenamiento temporal del producto y desde este hasta el vehículo de transporte terrestre. En este proyecto se usará como referencia el puerto granelero ubicado en Santiago de Tolú-Sucre, este puerto se encuentra localizado estratégicamente con el fin de abarcar toda la costa atlántica y parte de Medellín. A demás la ubicación más cercana al canal de panamá hace que la actividad económica sea más fuerte y reconocida a nivel nacional e internacional. El uso de un sistema de control mediante PLC y sistema SCADA, permite monitorear y controlar las operaciones en el puerto, de una forma segura eficiente, rentable y de una forma respetuosa con el medio ambiente [4]. El uso de redes de comunicación industrial, permite visualizar en tiempo real y de forma centralizada el estado operativo del puerto. De esta manera se puede transferir información confiable y de mucha importancia, la cual se presentará de forma clara y fiable a los operarios de tal forma que ellos puedan tomar decisiones de forma acertada [5]. 12 Igualmente, el sistema SCADA cuenta con controladores de comunicación que posibilitan interactuar con otros sistemas que proveen información necesaria del proceso. En este caso, es necesario la implementación de un moderno sistema de automatización que permita, medir y diagnosticar el comportamiento del sistema mecanizado de cargue y descargue, tales como bandas trasportadoras que posibilita el desplazamiento de los granos debido que tienen poco peso propio, ausencia de articulaciones de rápido desgaste y posición es de forma horizontal, elevadores de cangilones que son dispositivos formados por recipientes aptos para desplazar los granos en dirección vertical o próximas a la vertical, transportador de cadenas, mediante dispositivos como PLC, sistema SCADA, y una adecuada programación que garantice que el proceso se ejecute de manera confiable manteniendo una alta disponibilidad del sistema [6]. 13 3 BJETIVS 3.1 bjetivos generales Diseñar y simular un sistema de control y supervisión de cargue y descargue de granos para puertos, usando PLC, los lenguajes estandarizados de programación Grafcet y Ladder e implementando mímicos que representen por secciones las diversas áreas operativas de un puerto, bajo un sistema SCADA. 3.2 bjetivos específicos Indagar la operación, componentes y procesos de un sistema portuario donde se desarrolle las actividades de cargue y descargue de granos. Identificar las etapas de un proceso de control para un sistema portuario granelero. Diseñar los módulos de control y accionamiento de los diversos componentes, respondiendo a las exigencias demandadas por los equipos eléctricos del sistema cumpliendo con la norma IEC Seleccionar la red de comunicación industrial más apropiada para el proceso y diseñar procedimientos para la integración de los componentes del sistema de control a la red. Implementar y simular el sistema completo de control y supervisión bajo un enfoque SCADA. 14 PARTE II PRELIMINARES 15 4 STEMAS PRTUARIS Los puertos graneleros, como terminales marítimos cumplen un papel muy importante en la economía mundial, debido a que el flujo de comercio exterior en su mayoría gira en torno a esta actividad portuaria, debido a lo anterior estos puertos poseen mecanizados que agilicen las descargas de los buques y las cargas de los tracto camiones [7]. Anteriormente la operación portuaria estaba regida por el estado, lo que permitía y toleraba una operación lenta, generando problemas de ineficiencias, y sobrecostos; a medida que la globalización comenzó a afianzarse, se crearon reformas portuarias en la época de los noventas que buscaba abolir el monopolio estatal, modernizar el sistema, reducir tarifas, y mejorar la eficiencia en los puertos [8]. Entre 1990 y 1999 el comercio exterior de los puertos creció cerca del 100%, al pasar de ton. A toneladas y en 1990/91 se presentó la tasa de crecimiento más alta (52.5%) y en el 98/99 la caída más dramática (-10%) [9]. Uno de los puertos con mayor potencial para la exportación de hidrocarburos y adicional al manejo de carbón/coque, se está modernizando para especializarse en la movilización de cargas a granel, vehículos, carga de proyectos y carga generales y se encuentra ubicado en Santiago de Tolú Sucre [10]. En general la globalización permitió la privatización de los puertos viendo la necesidad de modernizar y optimizar herramientas de automatización que llevaran a menores tiempos de operación, reduciendo costos y aumentando los niveles de seguridad y confiabilidad, incluso muchos puertos cambiaron su actividad económica [11]. 5 DEFINICIÓN DE SENSR Un sensor es un elemento que detecta o recibe información de una magnitud física y la transforma en otra magnitud normalmente eléctrica en el cual se pueda cuantificar y manipular. Los sensores cuentan con una etapa de detección, es decir una etapa que es sensible a una cierta variable física, también cuenta con una etapa de adecuación de señal, la cual hace que la señal eléctrica resultante de la medición sea coherente y pueda ser transmitida [12] (ver Ilustración 1). 16 Ilustración 1 Elementos básicos de un sensor Existen sensores en especial como los analógicos que pueden funcionar sin necesidad de energizar con fuente externa la cual se denominan como sensores activos o generadores (self generating); los sensores que necesitan de una fuente de alimentación externa se denominan sensores pasivos o modulares (modulating). Los sensores se pueden clasificar según el tipo de señal eléctrica que generan como sensores análogos o digitales, el acondicionamiento de la señal de salida de los sensores digitales es más simple que la de los analógicos, pero son pocos los dispositivos capaces de dar directamente una señal digital en respuesta a una magnitud física de entrada. tra de las clasificaciones de los sensores es según el rango de valores de la señal que proporcionan, los sensores pueden ser de medida que pueden detectar la presencia de un objeto dentro de un determinado rango entregando a su salida un valor correspondiente a la posición del objeto a detectar, las salidas de estos sensores pueden ser analógicos, digitales o temporales [13]. Según el rango de valores de la señal que proporciona existen los sensores todonada que solo detectan cuando la magnitud de entrada está por encima o por debajo de cierto valor, este tipo de sensor da a la salida un uno o un cero, abierto o cerrado, alto o bajo etc. Los sensores pueden ser de 2 hilos que poseen 2 terminales en la cual se conecta la carga y la alimentación dejando circular la corriente de la fuente de alimentación por la carga, estos sensores pueden emplearse para ser alimentados en continua o en alterna. Los sensores de 3 hilos cuentan con tres terminales de salida en la cual en dos de sus terminales se conecta la alimentación de sistema y el otro terminal se conecta al terminal de salida y al común de tal forma que la corriente que va hacia la carga tiene un valor apreciable cuando está activo y un valor nulo cuando está inactivo, estos sensores con salida a tres hilos tienen dos tipos de configuración en su salida las cuales son: 17 Sensores NPN, conecta el terminal positivo de la fuente de alimentación a la carga (ver Ilustración 2), y los sensores PNP que conmutan el polo positivo a la carga (ver Ilustración 3). Ilustración 2 Conexión NPN Ilustración 3 Conexión PNP Los sensores 4 hilos estos se pueden configurar para trabajar como contacto normalmente abierto o contacto normalmente cerrado, de la misma forma que con los sensores con salida a 3 hilos. Los sensores con salida de tipo relé una de sus salidas son contactos libres de potencial que pueden estar en posición N, o NC, cuando el sensor está inactivo y cambia de posición cuando se activa. 18 6 SENSRES INDUCTIVS DE PRIMIDAD Los sensores de proximidad inductivos incorporan una bobina electromagnética que se usa para detectar la presencia de un objeto metálico conductor. Este tipo de sensor ignora objeto no metálico. Los sensores inductivos de proximidad cuentan con 3 terminales de salida en la cual dos de ellos se conecta la alimentación y el otro terminal se conecta al terminal de salida (ver Ilustración 4), estos sensores tienen la misma configuración de salida expuesta anteriormente (PNP, NPN) [12]. Ilustración 4 Conexión de un sensor inductivo Al aplicar la tensión de trabajo al detector de proximidad, un oscilador L-C (ver Ilustración 5) genera un campo electromagnético alterno de alta frecuencia. Este campo se concentra mediante un núcleo de ferrita, se alinea y sale por la superficie activa del sensor. Una pieza metálica que penetre en el campo alterno del detector de proximidad inductivo amortigua la tensión del oscilador. La tensión rectificada del oscilador desciende por debajo de un valor umbral específico. Entonces, a través del amplificador de salida, la etapa de conmutación provoca un cambio en la señal a la salida del sensor [12]. Ilustración 5 Elementos de un sensor inductivo básico Las características técnicas de los sensores inductivos son las siguientes: 19 Resolución angular. Todo sensor electromagnético requiere de una apertura radiante en la cual tiene como función, adaptar la energía electromagnética al medio atmosférico, y concentrar esta energía en direcciones privilegiadas. Para un mismo tamaño físico, a medida que sube la frecuencia de trabajo, el ancho del haz obtenido es menor y aumenta proporcionalmente la ganancia de la antena. La utilización de sensores con haces muy estrechos tiene importantes ventajas operativas. Por otra parte, la resolución angular define la capacidad para discriminar la información espacialmente y está definida por el ancho de haz obtenida con la apertura radiante empleada y determina una buena parte de las características operativas de un sensor, tales como la precisión, la capacidad de separación e identificación de blancos, la eficacia en la adquisición y seguimiento de los mismos, así como el rechazo a señales no deseadas. La resolución angular de una apertura circular de diámetro D puede estimarse mediante la siguiente expresión [14] =[ + ] / K= Constante próxima a 1 λ= Longitud de onda R=Distancia a la que está situado el blanco, donde R D entonces D=Diámetro =Resolución angular = Donde la resolución angular es inversamente proporcional a la apertura eléctrica (D/ λ) del elemento radiante del sensor. Discriminación espacial. En la naturaleza los elementos que los componen en el caso de desear obtener una imagen se presentan separados espacialmente, por lo tanto, la capacidad de discriminación necesaria no viene dada por la resolución angular sino por el arco asociado a la misma a una determinada distancia. Lo más significativo desde el punto de vista operativo es que esta capacidad disminuye proporcionalmente con la distancia en la mayor parte de las situaciones [14]. 20 Incremento del alcance. En los sensores pasivos el alcance es aproximadamente proporcional al tamaño de la apertura eléctrica (D/λ), mientras que en los sensores activos que utilizan la misma apertura en transmisión y recepción es proporcional al cuadrado de ese tamaño [14]. Incremento de la precisión en la determinación de la posición. La precisión en la medida de la posición del blanco es proporcional al ancho del haz de sensor empleado. A la frecuencia de 1 GHz, con una apertura de antena de 1 m y a 100 km, la precisión se puede estimar en 1000 m. Si se trabaja a 100 GHz con la misma apertura, el error a la misma distancia se reduce a 10 m. 7 SENSRES DE CNTACT Los sensores de contacto se pueden clasificar de la siguiente forma: Los sensores de contacto de tipo pulsador: se caracteriza porque tiene un botón el cual al ser pulsado para dentro cierra el interruptor interno del sensor indicando que se ha chocado con algo. Los sensores de contacto de final de carrera: Son los denominados interruptores de posición, límites de carrera o interruptores fin de curso. Transmiten al sistema de tratamiento datos sobre: presencia/ausencia, paso, posicionamiento, fin de carrera. Estos sensore
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