1Implantacin de red profibus para control de banda transportadora en proceso de calentamiento y reactivacin de pegamentos en el caucho

 

Implementation of profibus network to control the conveyor belt in the process of heating and reactivating glues in rubber

 

Implantao de rede profibus para controle da esteira transportadora no processo de aquecimento e reativao de colas em borracha

 

 



 

 

 

Correspondencia: misheljativa19@gmail.com

 

 

 

Ciencias tcnicas y aplicadas Artculo de investigacin

 

 

*Recibido: 30 de junio de 2020 *Aceptado: 30 de julio de 2020 * Publicado: 15 de agosto de 2020

 

 

I.             Ingeniera en Electrnica Control y Redes Industriales, Docente, Centro de Capacitacin FUNDEL, Ecuador.

II.             Mster Universitario en Ingeniera de Software y Sistemas Informticos, Ingeniero en Sistemas Informticos, Docente, Escuela Superior Politcnica del Chimborazo Ecuador.

III.             Ingeniero en Electrnica, Control y Redes Industriales, Especialista de proyectos y transferencia de tecnologas, Escuela Superior Politcnica del Chimborazo, Ecuador.

IV.             Magster en Tecnologa e Innovacin Educativa, Ingeniera en Sistemas, Docente, Universidad Laica Eloy Alfaro de Manab, Ecuador.

 


http://polodelconocimiento.com/ojs/index.php/es


 

Resumen

El objetivo de este proyecto es implementar el protocolo de comunicacin industrial Profibus, para controlar una banda transportadora, cuyo funcionamiento se basa en un sistema seguidor de temperatura y extraccin de gases. Mediante una metodologa experimental, se analiz los diferentes perfiles del protocolo, eligiendo Profibus DP, as como tambin se procedi a la seleccin de los elementos, dando paso a la implementacin fsica del sistema, y al entorno de la programacin del proceso que se desarroll en el prototipo, el cual es controlado de manera automtica y manual, mediante un interfaz humano mquina. A partir de las pruebas realizadas con el sistema, se obtuvo como resultado un rango de temperatura de funcionamiento de 106C 110C, con un rango de velocidad de 11 rpm 13 rpm, teniendo en cuenta que esta variable se encontrar en funcin de la temperatura promedio. Se concluye que con la implementacin de la red Profibus, como dispositivo maestro el mdulo Siemens Profibus y dispositivo esclavo el variador de frecuencia Schneider Electric, se logra la transmisin de datos de manera cclica, logrando la comunicacin entre los dispositivos y el proceso implementado. Se recomienda por parte de las autoras, verificar que las direcciones IP de los dispositivos que integran el sistema se encuentren en la misma red para garantizar su correcto funcionamiento. Palabras Claves: ingeniera y tecnologa electrnica; protocolos de comunicacin industrial; red Profibus; control de banda transportadora; transmisin de datos; controlador lgico programable (plc); interfaz humano mquina (hmi).

 

Abstract

The objective of this project is to implement the Profibus industrial communication protocol, to control a conveyor belt, whose operation is based on a temperature monitoring system and gas extraction. Through an experimental methodology, the different profiles of the protocol were analyzed, choosing Profibus DP, as well as the selection of the elements, giving way to the physical implementation of the system, and to the programming environment of the process that was developed in the prototype, which is controlled automatically and manually, through a human-machine interface. From the tests carried out with the system, the result was an operating temperature range of 106 C - 110 C, with a speed range of 11 rpm - 13 rpm, taking into account that this variable will be found in function of average temperature. It is concluded that with the implementation of the Profibus network, as the Siemens Profibus module as a master device and the Schneider Electric frequency inverter as a slave device, data transmission is achieved in a cyclical manner, achieving communication between the devices and the


implemented process. It is recommended by the authors to verify that the IP addresses of the devices that make up the system are on the same network to guarantee their correct operation. Keywords: electronic engineering and technology; industrial communication protocols; Profibus network; conveyor belt control; data transmission; programmable logic controller (plc); human machine interface (hmi).

 

Resumo

O objetivo deste projeto implementar o protocolo de comunicao industrial Profibus, para controle de uma correia transportadora, cujo funcionamento baseado em um sistema de monitoramento de temperatura e extrao de gs. Atravs de uma metodologia experimental, foram analisados os diferentes perfis do protocolo, optando-se pelo Profibus DP, bem como a seleo dos elementos, dando lugar implementao fsica do sistema, e ao ambiente de programao do processo que foi desenvolvido em o prottipo, que controlado automtica e manualmente, por meio de uma interface homem-mquina. Dos testes realizados com o sistema, o resultado foi uma faixa de temperatura de operao de 106 C - 110 C, com uma faixa de velocidade de 11 rpm - 13 rpm, levando em considerao que esta varivel se encontra em funo da temperatura mdia. Conclui-se que com a implantao da rede Profibus, como o mdulo Siemens Profibus como dispositivo mestre e o inversor de frequncia Schneider Electric como dispositivo escravo, a transmisso de dados realizada de forma cclica, conseguindo a comunicao entre os dispositivos e o processo implementado. recomendado pelos autores verificar se os endereos IP dos dispositivos que compem o sistema esto na mesma rede para garantir seu correto funcionamento.

Palavras-chave: engenharia eletrnica e tecnologia; protocolos de comunicao industrial; Rede Profibus; controle de correia transportadora; transmisso de dados; controlador lgico programvel (plc); interface homem-mquina (hmi).

 

Introduccin

A nivel mundial, los diversos procesos industriales han adquirido mejoras tecnolgicas dentro de cada rea que rigen a los mismos, siendo este un impacto realmente grande para los pases industrializados. Un proceso industrial est sometido a una serie de factores de carcter aleatorio que hacen imposible fabricar dos productos exactamente iguales, es por ello que la exigencia de las empresas en torno a la produccin industrial se vuelve cada ms fuerte, creando una atmosfera mucho ms competitiva en las exportaciones de todos los pases.


 

El caucho natural se produce principalmente en el sudeste asitico, mientras que el sinttico procede en su mayora de pases industrializados como Estados Unidos, Japn, Europa occidental y Europa oriental. Brasil es el nico pas en desarrollo que posee una industria importante de caucho sinttico. El 60 % del caucho sinttico y el 75 % del caucho natural se destinan a la fabricacin de neumticos y productos afines, que da empleo a casi medio milln de trabajadores en todo el mundo.

Ahora nos encontramos en la era de la tecnologa, dando importancia al adecuado control de procesos en cualquier tipo de rea de produccin a nivel mundial. Por consiguiente, durante los ltimos aos la automatizacin industrial ha tenido un auge importante dentro del pas, pero principalmente en el sector industrial de las ciudades que han adoptado la tecnologa en la industria de forma vertiginosa a sus procesos de produccin, y evaluacin de calidad.

 

Proceso del calentamiento y reactivacin del pegamento en el caucho

La reactivacin del pegamento en el caucho, se basa en un proceso coherente, el cual inicia desde la aplicacin de cualquier tipo de pegamento sobre el caucho, teniendo en cuenta que este adhesivo debe pasar de un estado lquido a una capa slida. El proceso que logra que la capa solida de pegamento vuelva a su estado original se llama reactivacin, el mismo que consiste en aplicar calor a una temperatura definida sobre el caucho y seguir con el proceso que se vaya aplicar dentro de la elaboracin del calzado. (Ortiz, 2011, p.8)

 

Factores que intervienen en el proceso de la reactivacin

         El calor que se aplica al proceso de reactivacin, debe aplicarse en la parte donde se encuentre el pegamento, debido a que las altas temperaturas pueden deformar o daar a otro tipo de materiales.

         El dispositivo o fuente emisora de calor, debe permanecer en un lugar especfico donde no vaya a existir ningn tipo de interrupciones con la capa de pegamento a reactivarse, debido a que esto puede hacer que se alargue el proceso

         Si la temperatura supera el lmite permitido segn la pega que se vaya a utilizar, el adhesivo puede descomponerse, y llegar a formar burbujas donde se haya aplicado la misma

         La aplicacin de calor debe ser de manera equitativa sobre toda la capa de pegamento que se desee reactivar, logrando que el proceso se d al mismo tiempo.


Metodologa

Seleccin de elementos

Una vez analizado el proceso, se procedi a la seleccin de los elementos que conforman el sistema. Dentro de esta etapa se aplica el mtodo inductivo, el mismo que permite determinar las caractersticas generales y especficas, indagando las mejores opciones para que el sistema tenga un funcionamiento adecuado.

 

Diseo e implementacin de la red y los dispositivos. Diseo mecnico

 

De acuerdo a la necesidad, se realiza el dimensionamiento de la estructura mecnica con el fin de simular un horno en el cual se vaya incrementando o disminuyendo la temperatura, segn sea necesario, en el cual se necesita aproximadamente 30 segundos para que el pegamento se reactive.

Todo el diseo se lo ha realizado en SolidWorks, un programa que se centra en un entorno de diseo en 3D integrado e intuitivo que abarca todos los aspectos del desarrollo del producto, para tener una mejor visualizacin ya que esta tambin va a contener gran parte de los elementos electrnicos y mecnicos de todo el sistema.

Para ello se realiza una base con barras de aluminio que van a servir de soporte para la estructura, a la vez estas sostienen a la banda que servir de transporte para la suela del zapato, figura 11-2. Siguiendo con el diseo secuencial de la estructura mecnica se procede a disear el soporte estructural para el motor que es el que permite que el movimiento de la banda sea posible, de igual manera se procede a verificar en que parte de la estructura se instalaran los sensores de presencia y tambin los sensores de temperatura, lo cual es fundamental para el anlisis final del proceso.

 

Figura 11-2: Base principal de la banda transportadora.


 

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Figura 12-2: Base y banda transportadora.

 

 

En el diagnstico de la planta en tiempo real se presenta que, la mquina tiene que sufrir cambios de temperatura, es decir, que la misma variable vaya incrementndose o disminuyndose segn la necesidad del proceso, por lo cual se ha realizado una cmara que cubra la estructura simulando un horno en el cual cumpla las expectativas del usuario, figura 13- 2.

 

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Figura 13-2: Cubierta de la banda transportadora.

 

 

Finalmente, con el diseo de cada parte del sistema mecnico de la banda se realiza el respectivo ensamblaje virtual, figura 14-2, y la simulacin de todo el sistema para tener una mejor


perspectiva de cmo va a ser el funcionamiento fsico real, para todo esto se ha escogido de manera selectiva los materiales que van a ser utilizados para su ensamblaje fsico, basando en las normas de construccin se ha determinado un sobredimensionamiento de material del 25%.

 

 

 

 


Figura 14-2: Prototipo para el calentamiento y reactivacin.

 

 

Banda transportadora (material intralox).

         Cubierta del horno realizado en aluminio.

         Barras de aluminio para la estructura.

         Motor HP.

         Poleas para el giro del motor.

 

Diseo elctrico

Para la implementacin de la red Profibus e interaccin con el resto de los dispositivos se dimension los conductores encargados de llevar la corriente elctrica a cada uno de los mismos, esta manera se pretende evitar sobrecargas o averas en el sistema, protegindolo contra cualquier tipo de dao elctrico.

 

Dimensionamiento del calibre de la acometida principal

Una forma de dimensionar el calibre de la acometida principal es relacionando con la carga que soporta cada uno de los dispositivos, con ayuda de la ecuacin se realiz el siguiente clculo:

 

Ic=I1+I2+..+In

Donde:


 

Ic= Corriente de carga

I1= Corriente de la fuente de alimentacin I2= Corriente del variador de frecuencia I3= Corriente del transportador

I4= Corriente de resistencia

 

 

Ic= 1.9+8.9+1.36+4.5 Ic= 16.66*1.25

Ic= 20.83

 

 

Se multiplica al valor equivalente por el factor de reserva para aumentar un 20 % de capacidad al alimentador, para as no tener problemas si el sistema elctrico sufre de cambios en su configuracin.

 

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Figura 16-2: Tabla para calibres de conductores elctricos UISA.

Fuente: (Guerrero, 2010, p.1)

 

 

La corriente equivalente obtenida es de 20.83 A y de acuerdo a la figura 16-2 el conductor nmero 14 AWG tiene una capacidad de corriente de 25 A, lo que corresponde a una aproximacin acertada al valor utilizado.


Dimensionamiento de los conductores de control

La forma para dimensionar el calibre de la parte de control es utilizando la corriente mxima de salida que puede entregar el PLC que es de 2 A.

 

Ic1= Corriente de carga

I1= Corriente de salida PLC Ic1=I1*1.25

Ic1= 2*1.25 Ic1=2.5

Al igual que en el apartado anterior se multiplica por el factor de reserva 1.25, obteniendo una corriente equivalente a 2.5 A y de acuerdo a las normas NEC si no supera una corriente de 5.6 se conectarn con un conductor de calibre #18 AWG

 

Dimensionamiento del Breaker

Este dispositivo se encarga de proteger a todo el sistema contra sobre corrientes y para hacer una correcta seleccin nos basamos en la corriente de 20.83 A.

 

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Figura 17-2: Tabla de seleccin de breakers.

Fuente: (Electric, 2014, p.4)

 

 

Sistema de control por histresis

Para el diseo del sistema se ha tomado en cuenta el proceso a realizar por la planta, como se muestra en la figura 18-2, por lo cual se ha optado por un sistema de control por histresis aplicado a la variable temperatura y tambin a la activacin y desactivacin del extractor de gases, ya que, el proceso puede emanar gases txicos, que pueden ser perjudiciales para la salud del operario que se encuentre cerca del sistema.


 

Con este control se logra mantener el equilibrio de la planta, comparando el valor real de la variable del proceso y el valor deseado como medio para controlar el sistema, es aqu donde se aplica el control por histresis, ya que se ha dado rangos en donde la planta estar trabajando y una vez que haya alcanzado la consigna de entrada o el SETPOINT el proceso entra en marcha y ejecucin.

 

 

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Figura 18-2: Diagrama de bloques del sistema.

 

 

Ecuacin de la recta para el control de la temperatura y velocidad

Dentro del control se ha realizado un anlisis de la temperatura obtenida por medio de los sensores Pt100, convirtiendo a este valor en una consigna de velocidad para que trabajen las dos variables en una sola direccin, es decir mientras la temperatura aumenta de igual manera la velocidad y viceversa.

 

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Figura 34-2: Grfico de temperatura vs velocidad.

 

 

Transmisin de Datos va Profibus


La lectura de las palabras de estado, representan la transmisin de datos en Profibus, es decir, segn la trama que se enva, existe una respuesta dentro del proceso a realizarse. En el caso del presente trabajo que se est desarrollando, actan cuatro palabras de estado, mismas que pertenecen a una trama de 16 bits.

Estas tramas son ledas por el PLC y almacenadas en una direccin correspondiente al CMD en donde el dato es procesado y enviado al variador de frecuencia, el cual ejecuta de manera cclica cada una de las peticiones correspondientes a las palabras de estado, este proceso se da mediante el envo de datos a travs del cable profibus, a una velocidad de 1.5Mbits/s

Las tramas enviadas al variador se almacenan en una memoria correspondiente al CMD, la cual representa al comando de control del variador, dentro de la programacin general en Tia Portal. A continuacin, se presentar de manera ms detallada las palabras de estado:

 

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Figura 40-2: Palabra de estado 16#0006

 

 

La primera trama corresponde a la transicin de estado de apagado listo para encender, la cual significa que el proceso que va a realizar puede empezar a funcionar, esperando las dems rdenes.

 

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Figura 41-2: Palabra de estado 16#0007


 

La segunda trama corresponde al estado encendido, es decir, el proceso se encuentra en ptimas condiciones, y puede empezar a cumplir funciones dentro del proceso.

 

 

 

 

 

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Figura 42-2: Palabra de estado 16#000F

 

 

La tercera trama corresponde a la función giro hacia adelante, la lectura de esta palabra de estado dentro del proceso, es primordial para el funcionamiento del motor.

 

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Figura 43-2: Palabra de estado 16#100F

 

 

La tercera trama corresponde a la función paro, esta palabra de estado se encarga de enviar la orden al proceso para que procese a detenerse.

 

Esquema final del proceso

Luego de realizar el anlisis del esquema inicial, se presenta una descripcin final, figura 50-2, de la IMPLEMENTACIN DE UNA RED PROFIBUS PARA EL CONTROL DE UNA BANDA TRANSPORTADORA EN EL PROCESO DEL CALENTAMIENTO Y REACTIVACIN DEL PEGAMENTO EN EL CAUCHO, MEDIANTE UN SISTEMA


SEGUIDOR DE TEMPERATURA Y EXTRACCIN DE GASES, con la finalidad de

presentar de manera ms clara el proceso a realizarse.


 

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Figura 54-2: Esquema Final

 

 

Las pt-100, luego de ser acondicionadas, se encargan de medir los valores de la temperatura, hasta llegar al valor de funcionamiento que corresponde a la temperatura promedio, dicho valor se toma como referencia para la velocidad del motor de la banda transportadora. El PLC se encarga de enviar las palabras de estado por medio de la comunicacin profibus al variador de frecuencia, y de igual manera el valor de consigna de velocidad, poniendo en funcionamiento el motor, es as que se pone en marcha el proceso calentamiento y reactivacin de la pega en el caucho, as como tambin la extraccin de gases durante la ejecucin del proceso.

 

Resultados, discusin y anlisis

Una vez configurado el sistema de comunicacin, y basndose en el montaje de la red y el proceso que se realiz, los resultados se detallan a continuacin.

 

Validacin de la configuracin del sistema

Posterior al montaje de la red Profibus, se procedi a la comprobacin de la configuracin de los distintos dispositivos necesarios para verificar que la configuracin se encuentra en ptimas condiciones para dar paso al funcionamiento del sistema, por esta razn se verific la conexin de los equipos con la ayuda del software de programacin. La validacin de la configuracin fue necesaria ya que, son dos protocolos de conexin que se han usado en el sistema, estos fueron Profibus y Profinet.

En lo que se refiere a Profinet, para determinar que la configuracin no haya generado ningn error, previamente se procedi al cambio de direcciones IP en la HMI, PLC y al computador,


dado que estos dispositivos deban permanecer en una misma subred para que pueda existir una correcta comunicacin, tal y como se ve en la figura 1-3.

 

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Figura 1-3: Vista de redes. Subred Profinet. Tia Portal.

Realizado por: Fonseca, Fernanda; Michael, Jtiva, 2018

 

 

Referente a Profibus, se comprob la conexin entre el mdulo maestro y el variador de frecuencia, para esto fue necesario que las direcciones de ambos dispositivos estn dentro de un rango capaz de lograr el funcionamiento de la red. Dando una respuesta favorable entre los dispositivos para establecer la comunicacin, como se muestra en la figura 2-3.

 


Figura 2-3: Vista de redes. Subred Profibus. Tia Portal.

Realizado por: Fonseca, Fernanda; Michael, Jtiva; 2018

 

 

Una vez comprobada la conexin entre los dispositivos, con las diferentes subredes, se procedi a la comprobacin de toda la red, es decir la configuracin general del sistema, tal y como se muestra en la figura 3.3.


 


Figura 3-3: Vista de redes. Tia Portal.

Realizado por: Fonseca, Fernanda; Michael, Jtiva; 2018

 

 

Visualizacin de las palabras de estado de la comunicacin Profibus

El sistema que se desarroll es un proyecto tcnico didctico, con el que se busca demostrar el funcionamiento de Profibus, es por eso que se implement la visualizacin de la comunicacin de la red, referente a las palabras de estado, dentro de la HMI. Por este motivo se realiz pruebas variando el tiempo de retardo de la comunicacin dentro de la programacin, con el fin de hallar el tiempo idneo para poder monitorear las palabras de estado propias de la red y visualizarlas en la interfaz grfica.

En las pruebas realizadas con un tiempo de retardo de cuatro segundos, se pudo verificar que todas las palabras de estado de la comunicacin Profibus eran visualizadas de forma correcta a travs del encendido de los leds en la pantalla de la HMI, como se muestra a continuacin:

 

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Figura 4-3: Visualización de la primera palabra LISTO PARA ENCENDER

Realizado por: Fonseca, Fernanda; Michael, Jtiva; 2018


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Figura 5-3: Visualizacin de la segunda palabra de estado ENCENDIDO.

Realizado por: Fonseca, Fernanda; Michael, Jtiva; 2018

 

 

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Figura 6-3: Visualización de la tercera palabra de estado HABILITADO.

Realizado por: Fonseca, Fernanda; Michael, Jtiva; 2018

 

 

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Figura 7-2: Visualización de la cuarta palabra de estado PARO.

Realizado por: Fonseca, Fernanda; Michael, Jtiva; 2018


 

Adquisicin y comportamiento de datos

Para entender el comportamiento inicial y final del proceso del calentamiento y reactivacin del pegamento en el caucho, se procedi a la toma de datos de las variables del sistema, las cuales fueron:

         Temperatura

         Velocidad

 

Extraccin de datos por LabVIEW

Los datos de las variables del proceso, fueron extrados por OPC mediante el software LabVIEW, el cual en base a la configuracin de la figura 8-3, se encarg de almacenar los datos requeridos para los anlisis y resultados.

 


Figura 8-3: Configuracin del OPC en LabVIEW

Realizado por: Fonseca, Fernanda; Michael, Jtiva, 2018

 

 

Conclusiones

         Tras el anlisis de las tcnicas de implementacin Profibus DP, PA Y FMS, se selecciona Profibus DP, cuya velocidad de transmisin de 12Mbit/s representa la mejor opcin para el proceso que se est realizando, debido a que la dinmica del motor es


alta, de esta manera se cumple con las expectativas requeridas en base al funcionamiento del sistema.

         Con la implementacin de la red Profibus, como dispositivo maestro el mdulo Siemens Profibus y dispositivo esclavo el variador de frecuencia Schneider Electric, se logra la transmisin de datos de manera cclica, logrando la comunicacin entre los dispositivos y el proceso implementado.

         Se construye el prototipo de calentamiento y reactivacin del pegamento en el caucho, con diferentes actuadores como, la resistencia, ventilador y motor, que componen al sistema, con la finalidad de lograr el funcionamiento del proceso de manera automtica.

         En base a la configuracin del sistema y al tipo de comunicacin que ofrece el controlador, se utiliza una pantalla tctil que permite visualizar la ejecucin del proceso y las variables controladas en tiempo real, cabe destacar que existe una facilidad de uso, de conexin e instalacin, facilitando la interaccin humano - mquina.

         En base a las pruebas realizadas al sistema, se concluye como resultado el incremento de temperatura en cada zona de la banda, llegando as a obtener una temperatura promedio de 106, con una velocidad inicial de 11 rpm, logrando as el funcionamiento adecuado del proceso.

 

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