Proyecto planta

Capitulo FIDS
World Congress & Exhibition ENGINEERING 2010-ARGENTINA October 17th–20th, 2010, Buenos Aires, AR
1
DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE PLANTA PILOTO
PARA LA FORMACIÓN BASADA EN COMPETENCIAS DE
INGENIEROS ELECTROMECÁNICOS ORIENTACIÓN
AUTOMATIZACIÓN
Amado Osvaldo Vitali1
, Gustavo Pedro Jiménez-Placer2
, Fabiana Ferreira3
Resumen  Con el propósito de acercar a los alumnos de la Carrera de Ingeniería Electromecánica
orientación automatización a la realidad industrial, realizando prácticas y desarrollos, en la
Universidad Nacional de General Sarmiento se decidió implementar una serie de prácticas integradas
con equipos de campo industriales en una planta piloto de procesos continuos. Esta planta se encuentra
actualmente en desarrollo y constará de cuatro módulos de orientados a la medición y control de
Presión, Temperatura, Nivel y Caudal. Los módulos podrán ser operados en forma autónoma o
integrados. Se pretende que los estudiantes utilicen esta planta en diversas asignaturas de la carrera con
el objetivo de mejorar la formación en competencias genéricas de las ingenierías y específicas de la
ingeniería electromecánica orientación automatización. Como primeras experiencias ya se han
desarrollado algunas prácticas sobre el módulo de temperatura, cuyos resultados se analizan en detalle
en este trabajo.
Términos Índice  planta piloto, formación basada en competencias.
Abstract  In order to bring the students of the School  of Electromechanical Engineering reality
oriented industrial automation, making practices and developments in the National University of General
Sarmiento decided to implement an integrated set of practices in industrial field devices in a continuous
process pilot plant. This plant is currently under development and will include four modules aimed at
measuring and control of Pressure, Temperature, Level and Flow. The modules can be operated
independently or integrated. It is intended that students use this plant in different subjects of the race in
order to improve the generic skills training specific engineering and electromechanical engineering
guidance automation. As a first experience and have developed some practice on the temperature module,
the results are discussed in detail in this paper.
Index terms  pilot plant, competency - based training.
Introducción
La formación de nivel superior en sistemas de control ha ido evolucionando e
incorporando cada vez más temas vinculados con las aplicaciones industriales. La
1
Universidad Nacional de General Sarmiento, avitali@ungs.edu.ar
2
Universidad Nacional de General Sarmiento, gplacer@ungs.edu.ar
3
Universidad Nacional de Quilmes, fferreira@unq.edu.ar

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tendencia es incorporar más contenidos de automatización industrial tanto en institutos
terciarios como en universidades, generándose incluso carreras especificas en estos
temas.
La automatización industrial incluye hoy en día una diversidad de áreas [4]. Los temas
son complejos para su transposición didáctica.
Las herramientas de ingeniería para desarrollar algunas aplicaciones de automatización
industrial son bastante costosas y poco accesibles para las Universidades y entidades
educativas.
Uno de los problemas que se plantea a nivel conceptual es la dificultad para vincular las
prácticas realizadas por medio de simulaciones con los equipos reales utilizados en las
plantas industriales. Es conveniente entonces que los alumnos experimenten sobre
plantas piloto, en las que pueda operarse tal como se operaría en una planta real pero a
pequeña escala.
Objetivos de este trabajo
Desarrollar una planta piloto de procesos continuos con un sistema de supervisión,
control y adquisición de datos que pueda ser utilizado para mejorar la formación en
competencias genéricas de la ingeniería y específicas de la ingeniería electromecánica
orientación automatización. Como objetivos específicos podemos enumerar:
 Desarrollar una planta piloto de procesos continuos que constará de cuatro módulos
orientados a la medición y control de presión, temperatura, nivel y caudal.
 Establecer la supervisión de la planta piloto por medio de sistemas SCADA
comerciales.
 Utilizar la planta piloto en asignaturas del segundo ciclo de Ingeniería
Electromecánica Orientación Automatización.
 Mejorar en la formación de competencias genéricas de la Ingeniería.
 Mejorar en la formación de competencias específicas de la Ingeniería
Electromecánica Orientación Automatización.
 Desarrollar proyectos educativos y de investigación que tengan como base la planta
piloto.
 Vincular la planta piloto a través de Intranet o Internet con laboratorios de la
universidad o de otras instituciones académicas.

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Desarrollo de la planta piloto
Este desarrollo surgió de identificar necesidades planteadas por diferentes cátedras de
asignaturas del área automatización que consistían en pedidos de ampliar, mejorar o
rediseñar las prácticas de laboratorio.
Se debió identificar las necesidades de cada asignatura, que se realizó con entrevistas a
los responsables de las cátedras de asignaturas del área automatización.
Luego de identificar de dichas necesidades se decidió realizar una planta piloto que
constara de los cuatro lazos más comúnmente utilizados en la industria como son los de
presión, caudal, temperatura y nivel. Pero previamente a encarar este proyecto se
decidió desarrollar un proyecto que abarcaría un control de una sola de las variables,
decidiéndose por el controlador de temperatura.
El desarrollo de la planta piloto esta relacionado con una propuesta de enseñanza
orientada al desarrollo de competencias. Donde competencia se puede definir como la
capacidad de articular eficazmente un conjunto de esquemas (estructuras mentales) y
valores, permitiendo movilizar (poner a disposición) distintos saberes, en un
determinado contexto con el fin de resolver situaciones profesionales [1].
Trabajo previo al desarrollo de la planta piloto: Desarrollo de un
Modulo de control de temperatura
En este trabajo se presenta como desarrollo previo a la planta piloto, un experimento de
bajo costo que se realizó para ser utilizado en diversas materias de dos carreras
específicamente orientadas a la automatización industrial de la Universidad Nacional de
General Sarmiento y de la Universidad Nacional de Quilmes. El experimento, integra
conocimientos tales como controladores programables, comunicaciones y supervisión
industrial, teoría de control automático y control de procesos. Permite a los alumnos
aprender sobre un caso real de pequeña escala y realizar sobre el mismo las operaciones
que realizaría en una planta.
Por disponibilidad de equipamiento, costo y facilidad de traslado se seleccionó para el
primer experimento un control de temperatura. La planta a controlar resultó entonces un
sistema térmico [3].

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Selección de equipamientos
Como sensor de temperatura se seleccionó el sensor LM35D en contacto con la placa
metálica, con un rango de 0o
C a +100o
C. Como actuador se optó por una etapa de
potencia constituida por una fuente de corriente que tiene como elemento de potencia un
transistor montado también sobre la misma placa metálica. Se utilizó un transistor de
potencia TIP31 que funciona como una llave On-Off.
Respecto al controlador, debía ser de uso industrial, para permitir la formación de
competencias, se optó por un PLC compacto.
En la selección del software SCADA se optó entonces por el software WINCC Flexible.
Arquitectura del sistema
Se conformó un lazo de control cuyo esquema se presenta en la figura 1.
Figura 1: Esquema del Sistema
Conexión del PLC con la planta
La arquitectura implementada se presenta en la figura 2.
Figura 2: Arquitectura de conexión entre la planta y el PLC

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Tal como se puede observar en la figura 2, la salida del sensor se conecta directamente
al módulo de entrada analógico del PLC.
El actuador es controlado por una señal PWM (modulación por ancho de pulso) [2] del
PLC, utilizándose además como medio de aislamiento galvánico entre la salida PWM
del PLC y el circuito de potencia un opto-aislador.
Conexión del PLC con el software SCADA
Como medio de comunicación entre el PLC y el software SCADA, se uso el cable de
programación PC/PPI del propio PLC, pues era la alternativa más económica al no
requerir la compra de accesorios o módulos de comunicación adicionales. De esta forma
se conecta el puerto RS-232 de la PC a la interface RS-485 de la CPU del PLC. El
protocolo de comunicación que utiliza esta conexión es propietario y propio de la marca
de PLC utilizada. La red es Mono-maestro, siendo la PC el Maestro y el PLC el esclavo.
Esta red permite conexiones multipunto por lo que a futuro podrán incorporándose más
esclavos y conectar así diversos experimentos o procesos. En la figura 3. se presenta
esta conexión.
Figura 3: Conexión entre la PC y el PLC.
Una de las ventajas de utilizar esta conexión propietaria respecto a la utilización de una
conexión genérica, es que la base de datos del software SCADA puede vincularse
directamente con las variables internas del PLC, lo que en otro caso hubiera requerido la
utilización de OPC.
Prácticas específicas que se pueden realizar
- Utilizar un controlador PID en un PLC lo que es bastante común en la industria.
- Trabajar con un SCADA para supervisar el proceso y almacenar las mediciones
en una base de datos.

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- Modificar valores, establecer límites del nivel de la temperatura, practicar con
alarmas y una gran variedad de aplicaciones.
- Identificar la planta a partir de los datos que se adquieren usando el sensor de
temperatura, conectado al PLC, y almacenados en la PC por el software
SCADA.
- Probar los controladores PID diseñados en la planta real y comparar los
resultados con simulaciones realizadas en SIMULINK.
Desarrollo de la alternativa elegida para la construcción de la planta
piloto
El proceso según la figura 4 funciona de la siguiente manera, el depósito principal (R1)
dispone de una resistencia de calentamiento (RC) que se utiliza para aumentar la
temperatura del agua de su interior hasta la temperatura máxima de unos 60 ºC, la
misma será alimentada por una etapa de potencia, que a su vez será comandada por una
salida PWM del PLC a utilizar. El líquido calentado en este recipiente (R1) será
trasvasado a otro recipiente de menor capacidad (R2) mediante una bomba de velocidad
variable (P1), ya que se conectará a un variador de velocidad a los efecto de producir en
la bomba diferentes caudales y presiones. En este trayecto el caudal puede controlado
mediante el lazo compuesto por el caudalímetro y una válvula de control de flujo (PV1)
y una vez que el agua llega a este depósito se realiza en el mismo un lazo de control de
nivel de agua compuesto por un sensor de nivel y la válvula (PV2). Por otra parte
mediante la bomba (P2) se extrae agua del depósito (R2) y se vuelve a llevar al depósito
(R1), pasando antes por el intercambiador E, donde se puede controlar la temperatura
del agua a su salida mediante un lazo de control compuesto por un sensor de
temperatura PT 100 y de actuador un electroventilador (M) instalado con un motor
trifásico y variador de velocidad. En un futuro próximo se instalará un cuarto lazo de
control cuya variable a controlar será las presión. Los módulos de control podrán ser
operados en forma autónoma o integrados.

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Figura 5: Planta piloto (esquema y referencias)
Conclusiones y resultados
El primer experimento de un control de temperatura pudo ser diseñado de acuerdo a los
objetivos didácticos propuestos. Su implementación resultó de bajo costo, tal como se
había establecido.
Los alumnos que lo utilizaron adquirieron competencias en software de supervisión y
además permitió integrar los conocimientos que los alumnos tenían en asignaturas

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básicas de Sistemas de Control con conocimientos prácticos del área de automatización,
y se superaron las expectativas inicialmente esperadas.
Con su utilización, fueron creciendo el interés por parte de docentes y alumnos para
desarrollar nuevos experimentos que simulen otro tipo de procesos. Esto originó el
desarrollo de la Planta Piloto. Su realización constituyó el paso inicial de la vinculación
entre los grupos de automatización de ambas universidades y permitió establecer líneas
de investigación conjuntas.
Bibliografía
[1] CONFEDI (Consejo Federal de Decanos de Ingeniería) (2007). Competencias genéricas de ingeniería. Documento final.
[2] Hart, D.W. (2001). Electrónica de potencia, 354-357. Pearson Educación, Madrid.
[3] Jiménez-Placer Gustavo, Amado Osvaldo Vitali, Alexander Edgar, MálagaTorres, Fabiana Ferreira. (2008). Desarrollo de un
experimento didáctico de bajo costo para la enseñanza de software de supervisión industrial. AADECA 2008 – Semana del Control
Automático – XXIo
Congreso Argentino de Control Automático del 1 al 3 de Septiembre de 2008 – Buenos Aires, Argentina.
[4] Ollero, A., S. Boverie, R. Goodall, J. Sasiadek, H. Erbe, D. Zuehlke (2006). Mechatronics, robotics and components for
automation and control, Annual Reviews in Control, 30 (1), pag.41-54.
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