Automatización y mejora de central CIP para industria lactea Autor/es: Biolatto, Rodrigo Gastón Tutor: Ing. Eléctronico Fabian Marcelo Sensini Director: Ing. José Luis Catalano Co-Director: Esp. Ing. Héctor Diego Ferrari Fecha de Defensa: 27 de Junio de 2025 Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Villa María Ingeniería Electrónica UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 2 UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 3 Dedicatorias A mis seres queridos. A mi familia, mi pareja, los docentes de la facultad, mis colegas de trabajo en Punta del Agua, cuyo apoyo incondicional ha sido clave para la realización de este proyecto. Y quienes me brindaron su apoyo ya sea física o mentalmente para poder sobrellevar todo problema que se planteó durante el tiempo de planeamiento y ejecución de este Proyecto y su informe. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 4 Agradecimientos A los docentes y tutores de la Universidad Tecnológica Nacional que brindaron su experiencia y guía durante el desarrollo de este proyecto. A la empresa, colegas y colaboradores que contribuyeron con insumos y conocimientos técnicos. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 5 Resumen: Este proyecto se centra en la modernización de un sistema de automatización industrial, más específicamente del proceso de limpieza de las líneas de producción principales denominado CIP de sus siglas en inglés “Clean in Place”, mediante la integración de tecnologías de control. Se incorporan sensores de radar LW2120 y flujostatos SA5000 de la marca IFM, ambos con comunicación IO-Link, para medir niveles y flujos de manera precisa en los procesos abordados. La información de estos sensores se integra a través de un maestro IO-LINK o “isla” AL1342 del mismo fabricante, que convierte las señales IO-Link al protocolo Modbus, compatible con el PLC Modicon M340 de Schneider. Además, se utiliza una HMI Delta para la interacción usuario-máquina ubicada en campo, y el software Ignition para la implementación de un sistema SCADA que permite el monitoreo y control en tiempo real. El proyecto tiene como objetivo mejorar la precisión de las mediciones, optimizar el control del proceso, aumentar la seguridad operativa, dejar registro de los parámetros de proceso en planta. Se busca así una mayor eficiencia en la operación, una integración fluida de los componentes y una optimización del sistema. Palabras Claves: Automatización, CIP, Radar, Flujustatos Abstract This project focuses on the modernization of an industrial automation system, specifically the CIP (Clean in Place) cleaning process for the main production lines, through the integration of control technologies. IFM LW2120 radar sensors and SA5000 flow switches, both with IO-Link communication, are incorporated to accurately measure levels and flows in the targeted processes. The information from these sensors is integrated through an AL1342 IO-LINK master or "island" from the same manufacturer, which converts IO-Link signals to the Modbus protocol, compatible with the Schneider Modicon M340 PLC. In addition, a Delta HMI is used for user-machine interaction in the field, and Ignition software is used to implement a SCADA system that enables real- time monitoring and control. The project aims to improve measurement accuracy, optimize process control, increase operational safety, and record process parameters in the plant. This results in greater operational efficiency, seamless component integration, and system optimization. Keywords: Automation, CIP, Radar, Flujustatos UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 6 ÍNDICE Título Página Dedicatorias ........................................................................................................................................ 3 Agradecimientos ..................................................................................................................... 4 Resumen: ................................................................................................................................ 5 Abstract ................................................................................................................................... 5 Introducción ............................................................................................................................ 7 Análisis del problema ......................................................................................................... 7 Análisis de sistemas existentes ........................................................................................... 7 Descripción de las actividades del proyecto ....................................................................... 7 Objetivos ................................................................................................................................. 8 Objetivos generales............................................................................................................. 8 Objetivos particulares ......................................................................................................... 8 Diseño del Proyecto ................................................................................................................ 9 Revisión de requerimientos y parámetros de operación ..................................................... 9 Selección de componentes y dispositivos ........................................................................... 9 Diagrama en bloques del dispositivo ................................................................................ 10 Evaluación Final del Sistema ............................................................................................... 15 Conclusiones ......................................................................................................................... 32 Anexo I – Códigos de Fallas. ............................................................................................... 33 Bibliografía ........................................................................................................................... 34 UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 7 Introducción Análisis del problema El proceso de limpieza presenta ineficiencias y faltantes, el sistema de limpieza carece de un monitoreo y control preciso en varios puntos, lo que provoca: ● Ineficiencia en el Uso de Recursos: La falta de automatización y precisión en el monitoreo del proceso lleva a un uso excesivo de químicos y agua, aumentando los costos operativos. ● Errores en el Proceso de Limpieza: La ausencia de algunos datos precisos y en tiempo real dificulta la detección de fallos o desviaciones en el proceso de limpieza, lo que puede resultar en una limpieza inadecuada y potencialmente en la contaminación del producto. ● Dificultades en el Monitoreo y Control: El sistema actual no permite una supervisión a lo largo del tiempo y carece de parámetros ajustables para ciertos procesos, lo que limita la capacidad del operario para responder rápidamente a problemas o ajustar las configuraciones según sea necesario. ● Falta de Historización de Datos: No existe un registro detallado de todos los datos históricos necesarios del proceso de limpieza, lo que impide un análisis a largo plazo y la identificación de patrones o problemas recurrentes, así como un registro de costos en función del uso de producto. ● Integración Limitada de Sensores: Los sensores existentes no están integrados de manera eficiente con el sistema de control, lo que impide una recopilación y análisis de datos centralizados y efectivos. La modernización del sistema mediante la integración de sensores y parámetros de visualización y reformar el sistema SCADA abordará estos problemas, permitiendo una optimización significativa del proceso de limpieza. La implementación propuesta mejorará la precisión en la medición y el control, reducirá el uso de recursos, y proporcionará una supervisión y análisis de datos en tiempo real, garantizando un proceso de limpieza más eficiente y confiable. Análisis de sistemas existentes Antes de la automatización, el sistema de limpieza presentaba varias deficiencias: ● Sensores Discretos: Solo se indica la presencia de líquido, sin proporcionar datos sobre el flujo, temperatura o caudal, dificultando la supervisión y ajustes en tiempo real. ● Falta de Control de Nivel de Tanques: No había un control automático; el monitoreo era manual o básico, lo que aumentaba el riesgo de errores. ● Ausencia de Supervisión en Tiempo Real: No se podían visualizar datos en tiempo real ni ajustar parámetros de inmediato. ● Historización de Datos acotada: No existía registro de las variables a controlar de manera analógica esto limitaba la capacidad de análisis y mejora del proceso. ● Integración Limitada con el Sistema de Control: La configuración no aprovechaba protocolos modernos, limitando la eficiencia. En resumen, el sistema anterior carecía de precisión y capacidad de supervisión, lo que justificó la modernización con sensores avanzados, un PLC actualizado, y herramientas de software para mejorar la operación. Descripción de las actividades del proyecto Las principales actividades del proyecto incluyen: UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 8 1. Selección e instalación de sensores: Se han seleccionado 8 sensores, divididos entre sensores de radar LW2120 para el monitoreo del nivel de tanques y flujostatos SA5000 para medir flujo, temperatura y caudal en las líneas de producción. Estos sensores permiten una comunicación precisa y confiable mediante IO-Link, todos estos sensores convergen en una “isla” que convierte la comunicación IO link en protocolo MODBUS. 2. Integración con el PLC Schneider: Los sensores instalados se integran al sistema de control existente utilizando un PLC Modicon M340 de Schneider. Esta integración se realiza mediante el protocolo Modbus entre la “isla” de sensores y el controlador lógico programable, asegurando un mapeo adecuado de registros para un control óptimo del proceso. 3. Parametrización y calibración de sensores: Se realiza la configuración y calibración de los sensores utilizando software propio de la marca, asegurando que cada sensor brinde datos precisos y relevantes para el control del proceso de limpieza. La isla AL1342 donde convergen todos los sensores también cuenta con una parametrización propia de cada puerto y de la comunicación pertinente. 4. Implementación de HMI y DOPsoft: Se configura una interfaz HMI utilizando el software DOPsoft para HMIs de la marca “Delta” para facilitar la supervisión del proceso y la interacción del operario. Esto permite visualizar en tiempo real los datos recopilados por los sensores y ajustar parámetros según sea necesario. 5. Historización y monitoreo remoto con Ignition: Los datos recolectados por los sensores se envían a una base de datos gestionada por el software Ignition. Esto permite la historización y monitoreo remoto de los datos, facilitando el análisis continuo del proceso y la toma de decisiones basada en datos históricos. Estas actividades permiten optimizar el proceso de limpieza de la central, mejorando la eficiencia, precisión y control, lo que resulta en un proceso más seguro y eficiente. Objetivos Objetivos generales ● Modernizar el sistema CIP (Clean in Place) de una planta industrial mediante la integración de tecnologías avanzadas de automatización y monitoreo, con el fin de optimizar la eficiencia, seguridad y sostenibilidad del proceso de limpieza. ● Incorporar sensores de radar y flujostatos con comunicación IO-Link para lograr una medición más precisa y confiable de parámetros críticos como nivel, flujo, temperatura y caudal. ● Implementar un sistema SCADA utilizando el software Ignition para la historización, supervisión remota y análisis de datos en tiempo real. ● Reducir el uso excesivo de recursos como agua y productos químicos mediante un control más preciso y una supervisión en tiempo real. ● Aumentar la confiabilidad y escalabilidad del sistema al incorporar tecnologías de comunicación estandarizadas como Modbus y IO-Link. Objetivos particulares ● Desarrollo profesional: Consolidar habilidades prácticas en la configuración, programación y parametrización de sensores avanzados y sistemas de automatización. ● Manejo de software especializado: Adquirir experiencia en herramientas de programación y diseño de uso cotidiano en la industria para HMIs y software SCADA, aplicar conceptos teóricos en un entorno práctico. ● Gestión de proyectos: Aprender a gestionar un proyecto técnico desde su planificación hasta UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 9 la ejecución, para así obtener experiencia y capacidades de resolución de problemas, organización y trabajo en equipo. ● Comprensión de protocolos de comunicación: Profundizar en el conocimiento y la aplicación de protocolos industriales de uso común como IO-Link y Modbus. ● Adaptación a estándares industriales: Familiarizarse con los estándares y prácticas de la industria alimenticia, teniendo en cuenta la importancia del control preciso de procesos y la comodidad del operario y su entorno en sectores que demandan altos niveles de calidad y seguridad. ● Desarrollo de habilidades de análisis y síntesis: Mejorar la capacidad de analizar sistemas existentes, identificar sus limitaciones y proponer soluciones. ● Preparación para la industria: Generar confianza y experiencia práctica en la implementación de proyectos que integran componentes de hardware y software. Diseño del Proyecto Revisión de requerimientos y parámetros de operación Como requisitos y parámetros de operación, se limita a trabajar y modificar sobre la arquitectura de software y hardware ya implementados en la empresa, a la hora de implementar desde cero el hardware se dispone de sensores y actuadores que ya estén codificados dentro del sistema de stock de Punta del Agua, este hardware proviene de la marca IFM en su mayoría, debido a que es la marca que cuenta con todos los sensores que se desean agregar en el sistema. A su vez desde la perspectiva de software, en su mayoría se encuentra ligado intrínsecamente al hardware, debido a que cada marca de componentes cuenta con un programa propio para su planificación, desarrollo y puesta en marcha, así como para su depuración, simulación y pruebas en campo. Selección de componentes y dispositivos El objetivo de modernización se basa en la incorporación de tecnologías de control y censado para mejorar la eficiencia, precisión y seguridad del proceso de limpieza. Esta modernización se apoya en varios conceptos clave: ● Instrumentación y Sensores: La incorporación de sensores de radar LW2120 y flujostatos SA5000, que permiten la comunicación IO-Link, representa un avance significativo sobre los sensores discretos utilizados actualmente en el sistema. ● Sensores Radar LW2120: Los sensores LW2120 son dispositivos de medición de nivel basados en tecnología de radar. Esta tecnología utiliza ondas electromagnéticas para medir de manera precisa la distancia entre el sensor y la superficie del líquido en los tanques, lo que permite monitorear el nivel sin contacto directo. Son ideales para entornos industriales, ya que las ondas de radar pueden atravesar materiales como plásticos, lo que los hace efectivos en tanques no metálicos. Además, estos sensores permiten comunicación IO-Link, lo que facilita la integración en sistemas de automatización y la transmisión de datos en tiempo real. Fig. 1. Sensor de nivel a implementar. ● Sensores Flujostatos SA5000: Los flujostatos SA5000 de IFM son sensores diseñados para monitorear el flujo de líquidos en procesos industriales. A través de IO-Link, proporcionan no solo el valor de flujo, sino también datos adicionales como la temperatura y el caudal indirecto, lo que los UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 10 hace versátiles para procesos como el control de fluidos corrosivos. Son aptos para trabajar con líquidos agresivos, como soda cáustica y ácido, asegurando precisión en condiciones exigentes y mejorando el monitoreo integral del proceso. Fig. 2. Sensor de caudal a implementar. ● Maestro IO- Link IFM AL1342: La comúnmente denominada “isla” IFM AL1342 es un módulo que permite la integración de múltiples dispositivos IO-Link, como los sensores mencionados, en un sistema centralizado. Su función principal es convertir las señales IO-Link a Modbus, un protocolo de comunicación utilizado para conectar dispositivos industriales a un PLC. La AL1342 dispone de 8 entradas, lo que la hace adecuada para gestionar múltiples sensores simultáneamente, asegurando una comunicación eficiente y confiable con el controlador del sistema. Fig. N° 3. Isla para la unificación de sensores. Diagrama en bloques del dispositivo Diagrama N° 1 Diagrama en bloques del sistema UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 11 Diagrama N° 2 Diagrama en bloques local del PLC ● Integración de Protocolos de Comunicación Estandarizados: Utilizar IO- Link para la comunicación de sensores y Modbus para la integración con el PLC Schneider M340 permite una transferencia eficiente de datos y la interoperabilidad entre diferentes dispositivos. Esto asegura una respuesta rápida y efectiva del sistema ante cambios en las condiciones de proceso, facilitando la modernización del sistema de control existente. ● Comunicación IO-Link: IO-Link es un estándar de comunicación digital que permite la conexión de sensores y actuadores inteligentes a sistemas de automatización. A diferencia de las conexiones analógicas tradicionales, IO-Link ofrece una comunicación bidireccional, permitiendo no solo la transmisión de datos del sensor al controlador, sino también la parametrización y diagnóstico del dispositivo en tiempo real. Esto mejora la flexibilidad y la eficiencia del sistema, ya que los dispositivos pueden configurarse y monitorearse de manera remota, optimizando la operación y mantenimiento del proceso. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 12 Fig N° 4 Ejemplo de arquitectura IO Link ● Protocolo Modbus: Modbus es un protocolo de comunicación ampliamente utilizado en sistemas industriales para la transmisión de datos entre dispositivos, como sensores y controladores. Se basa en una arquitectura maestro- esclavo, donde un dispositivo maestro solicita datos y los dispositivos esclavos responden. Modbus se caracteriza por utilizar registros, que se dividen en varios tipos: ● Registros de Bobinas: Son salidas digitales que permiten controlar dispositivos como relés o actuadores. Rango de mapeo: 00001 – 09999. Estos registros permiten escribir o leer el estado de encendido/apagado de los dispositivos conectados. ● Registros de Entradas Discretas: Son entradas digitales de solo lectura, que indican el estado de sensores o interruptores. Rango de mapeo: 10001 – 19999. Se utilizan para monitorear dispositivos como interruptores, botones, etc., y son accesibles solo para la lectura. ● Registros “Holding”: Son registros de lectura/escritura que almacenan variables de proceso o configuraciones. Rango de mapeo: 40001 – 49999. Son los más utilizados para leer y escribir datos en dispositivos como PLCs, actuadores, o sistemas SCADA. ● Registros de Entrada: Son registros de solo lectura que contienen datos capturados por sensores (como temperatura, flujo, etc.). Rango de mapeo: 30001 – 39999. Se emplean para obtener los valores de medición que los sensores envían al PLC o sistema de control. El mapeo de registros es clave para asegurar que los dispositivos puedan intercambiar información en el rango adecuado, permitiendo al sistema controlador acceder correctamente a los datos de proceso y enviar comandos cuando sea necesario. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 13 Fig. N° 5. Arquitectura ModBus (Maestro-Esclavo). Tabla N° 1. Mapeo de registros ModBus para un PLC Schneider. ● Automatización con PLC y HMI: Los Controladores Lógicos Programables (PLC) como el Modicon M340, junto con las interfaces HMI configuradas mediante el software DOPsoft, permiten un control y monitoreo centralizado del proceso. Los PLCs ejecutan la lógica de control programada en ladder, proporcionando una plataforma flexible y robusta. Arquitectura Ladder (Diagrama de Escalera): El lenguaje Ladder es uno de los lenguajes de programación más comunes utilizados en la automatización industrial, especialmente en la programación de PLCs (Controladores Lógicos Programables). Se basa en una representación gráfica que imita los circuitos eléctricos de control tradicionales, donde las operaciones lógicas se organizan en forma de "escalera". En un diagrama de escalera, los elementos básicos son los siguientes: 1. Contactos: Son los equivalentes lógicos de los interruptores en un circuito eléctrico. Los contactos pueden ser de tipo normalmente abierto (NO) o normalmente cerrado (NC), y se asocian a entradas digitales del sistema, como botones o sensores. 2. Bobinas: Representan las salidas en el sistema, como motores, luces o válvulas. Cuando la lógica del peldaño es verdadera, la bobina se activa, lo que significa que se ejecuta una acción física. 3. Bloques lógicos: Son elementos esenciales en los diagramas Ladder que permiten realizar operaciones lógicas como AND, OR y NOTA: Estos bloques permiten combinar condiciones para activar salidas en función de múltiples entradas. Además de ofrecerse siempre en gran medida y de manera predeterminada, operaciones matemáticas y, algunas Ventajas del Lenguaje Ladder Facilidad de comprensión: Al basarse en esquemas eléctricos familiares, es accesible para técnicos UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 14 y personal de mantenimiento. Modularidad: Permite descomponer un sistema complejo en pequeñas partes fácilmente gestionables. Versatilidad: Compatible con la mayoría de los PLCs y ampliamente utilizado en la industria para procesos automatizados. El Ladder es ideal para aplicaciones que requieren operaciones lógicas sencillas como secuencias de encendido/apagado, control de motores y gestión de señales de entrada y salida, siendo esencial en procesos industriales. Fig. N° 6 Lenguaje Ladder mostrando contactos y bobinas DOPsoft es el software utilizado para programar y configurar las interfaces HMI (Human Machine Interface) de la marca Delta. Permite diseñar pantallas gráficas que facilitan la interacción entre el operario y el sistema automatizado. A través de DOPsoft, es posible crear botones, indicadores, gráficos y cuadros de texto que visualizan datos en tiempo real y permiten realizar ajustes en el proceso. La programación en DOPsoft se realiza mediante una interfaz gráfica intuitiva donde se arrastran y sueltan componentes visuales, asignando funciones a cada uno. Estos componentes se vinculan con variables del PLC a través de direcciones de memoria, facilitando la comunicación y el control del proceso desde la HMI. Fig. N° 7. Entorno de programación de software DOPsoft. ● Sistemas SCADA para Monitoreo Continuo: La incorporación del software Ignition permite la historización de datos y el monitoreo remoto del sistema CIP, lo cual es crucial para analizar tendencias y optimizar el uso de recursos. Este enfoque no solo mejora la eficiencia operativa, sino que también proporciona una base sólida para la toma de decisiones basada en datos históricos. Se entiende por SCADA a cualquier aplicación que obtenga datos operativos acerca de un sistema con el fin de controlarlo y optimizarlo. Bajo esta definición una HMI en campo también forma parte de este concepto, pero se ha descripto en el punto anterior. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 15 Software Ignition: Ignition es una plataforma de software que permite la supervisión, control y adquisición de datos en tiempo real. Ofrece herramientas para crear interfaces gráficas, historizar datos y conectar diferentes dispositivos y sistemas de automatización. Ignition es modular, lo que permite adaptarse a distintas necesidades industriales, desde monitoreo de procesos hasta análisis avanzado de datos. El sistema se caracteriza por su capacidad de integración con bases de datos SQL, facilitando la historización y análisis de grandes volúmenes de datos. Además, permite la creación de gráficos, alarmas y reportes personalizados accesibles de forma remota, proporcionando una visión integral del proceso desde cualquier dispositivo conectado a la red. Fig. N° 8. Ej. Entorno de programación de software Ignition. Evaluación Final del Sistema Los trabajos realizados en el proyecto de mejora de la central CIP se fundamentan en la aplicación de tecnologías y metodologías específicas para lograr los objetivos de modernización. Los principales puntos teóricos relacionados con los trabajos realizados incluyen: ● Parametrización y Calibración de Sensores: Uno de los trabajos fundamentales fue la correcta parametrización y calibración de los sensores de radar y flujostatos para asegurar mediciones precisas. Utilizando el software LR Device/ IFM Moneo, se establecieron los parámetros necesarios para que los sensores operen de acuerdo con las instalaciones, mejorando significativamente la calidad del monitoreo en comparación con los sistemas discretos anteriores. 1. Calibración radar LW2120: El radar IFM LW2120 cuenta con una parametrización simple y acotada con la intención de ser un equipo fácilmente reemplazable, si bien la estructuración puede hacerse tan compleja como se requiera los parámetros básicos y mínimamente necesarios para su funcionamiento son los siguientes: • Selección de la unidad de indicación: Unidad de medida sobre la que se desea operar (metro o pulgada) • Distancia entre el equipo y el punto cero: Distancia entre el bulbo del sensor y el punto que representa el 0 del proceso. • Distancia entre el punto cero y el fondo del tanque: Por si el punto 0 no es el fondo del tanque. • Zona ciega superior: Zona que el sensor desprecia para evitar falsos ecos, generalmente se UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 16 usa para evitar ruido en los acoples y montaje del sensor. • Permiso de nivel negativo: Forma en que el sensor trata una lectura de nivel por debajo de 0. (Elegible entre Permitido o Igual a Cero) Adicionalmente, el manual advierte que pueden realizarse configuraciones muchísimo más avanzadas, como el comportamiento de las salidas, pero esta gestión no es necesaria en la mayoría de tanques. Para el caso particular no fue necesario configurar el comportamiento de las salidas debido a que al tener comunicación IO link, y no cablearse con señales discretas, toda la información necesaria se envía directamente a la isla AL1342 y no se hace uso de salidas digitales o analógicas Fig. 9.A. Parámetros mencionados vistos en el software IFM Moneo. Fig. 10. Referencias dadas por el manual del sensor. Si se desea administrar el comportamiento de las salidas, los parámetros a configurar y tener en cuenta serian los siguientes: • Ou1/ou2: Es el comportamiento con el que se desea configurar las salidas 1 y 2, respectivamente. La salida 1 (ou1) solo permite salida de conmutación, como señal digital. La salida 2 (ou2) puede configurarse para elegir entre conmutación o señal analógica. Cabe destacar que la salida IO LINK esta por defecto en la Ou1 y no es configurable su comportamiento. • SSC1 Param. SP1: Punto de conmutación si la salida 1 se configuro como conmutación, UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 17 este valor es el nivel del tanque en el que el sensor entregara un 1 logico en su salida digital 1. • ASP2/AEP2: La salida 2 es la única que puede comportarse como salida analógica, por lo que si se desea hacer uso de esta función ASP2 es el valor de nivel de tanque para el cual el sensor entregara 4mA y AEP2 es el valor de nivel para el que entregara 20mA. Fig. 9.B Parámetros mencionados vistos en el software LR Device. Fig. 9.C ASP2 y AEP2. Parámetros mencionados vistos en el software LR Device. 2. Calibración Flujostato SA5000: Para el caso particular el manual nos dice que siempre y cuando la comunicación sea IO link nos permite parametrizar fácilmente el equipo ingresando la magnitud a medir, la cual puede variar entre Liquido o Gas, y el diámetro de la tubería. Cabe destacar que, como tal, este sensor mide velocidad de flujo y temperatura, no mide el caudal propiamente dicho. Entonces, sabiendo la velocidad de flujo, e indicándole el diámetro de la tubería, el SA5000 puede calcular el caudal intrínsecamente haciendo uso de: 𝑄 = 𝑣 ∗ 𝐴 Ecu (1) Donde en Ecu (1) Q es el caudal, v es la velocidad de flujo y A es la sección transversal de la tubería. Fig. 11. Parametrización del diámetro de la tubería desde software IFM Moneo. • Al igual que con el sensor LW2120 tiene 2 salidas de proceso configurables, donde la primera es inherentemente IO LINK y, además, configurable para otro modo de funcionamiento. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 18 Fig. 11.B Parametrización de las salidas desde software LR Device. • El parámetro SEL2 permite elegir entre flujo o temperatura dependiendo de la magnitud que se desee medir en la salida 2 • El parámetro P-n permite decidir si la lógica de las salidas digitales es normal abierta o normal cerrada. • Así como en el sensor LW2120 podían elegirse los valores para los cuales el instrumento arrojaba 4mA o 20mA, en el SA5000 este parámetro también es configurable solo si el parámetro “SEL2” visto en la Figura 11.B esta seteado en “temperatura” Tanto el flujostato SA5000 como el sensor de nivel LW2120 comparten un parámetro asociado al estado de la salida en caso de error Fig. 11.C Comportamiento en fallo de las salidas visto desde software LR Device. • FOU1 y FOU2 permite decidir que comportamiento adoptaran las salidas en caso de encontrarse entre error, pudiendo variarse entre ON, OFF y OU, siendo este ultimo la permanencia del ultimo valor tomado en la salida. 3. Isla AL1342: Esta es la interfaz donde convergen los sensores mencionados anteriormente y la comunicación con el PLC de destino, teniendo en cuenta que la comunicación se da por Modbus TCP/IP uno de los parámetros a configurar necesariamente es la IP del dispositivo para luego poder establecer la comunicación. Cabe destacar que este dispositivo tiene 2 posibles direcciones IP, una para conectarse en la parametrización inicial (IoT), esta es la única que permite modificar parámetros del instrumento, la otra red a parametrizar es la red de campo o FieldBus la cual es la que utilizara con el PLC para el intercambio de datos. Adicionalmente a estos 2 parámetros debemos configurar el largo en Bytes de los datos que tomara el sensor, esto estará dispuesto en la hoja de datos del fabricante con lo que se determinara si el equipo funciona o no, desde la isla AL1342 puede parametrizarse cada puerto individualmente de la siguiente forma: UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 19 Fig. 12. Ej. Para el puerto 1. Parámetros configurables. • Donde observando la Fig.12 la primera característica hace referencia a la transmisión de datos a un tercer programa el cual puede ser LR Agent o Smartobserver. • La segunda característica permite configurar el modo IO Link para la transmisión de datos. • La tercera característica determina el comportamiento en error de la salida digital (en caso de estar configurado para ese uso), lo cual no se está utilizando en el caso particular. • La cuarta característica determina el comportamiento al suceder un error en la transmisión de datos IO link, para el caso se coloca en “Reset” haciendo referencia a que, en caso de darse un error en la transmisión de datos, ya sea por una deficiencia en el instrumento, desconexión u otra condición, el dato visible del instrumento será un 0 (cero). Otros parámetros a mencionar en la configuración del maestro IO LINK AL1342 es la posibilidad de reescribir las configuraciones en los propios puertos, por si alguna vez, es necesario reemplazar los sensores, esta característica permite que personal no capacitado pueda simplemente reemplazar un sensor defectuoso sin necesidad de configurarlos. Este comportamiento se configura individualmente en cada puerto. Fig. 12. B Parámetro de restauración anteriormente mencionado desplegado con sus opciones. Para que el maestro IO LINK reconozca los sensores que están ubicados en cada puerto es necesario establecer los parámetros “Vendor ID” y “Device ID” mostrados en la Fig 12.B • Vendor ID: Numero relacionado con el fabricante del sensor, este parámetro describe por que empresa está fabricado el sensor ubicado en este puerto, para el caso particular el fabricante “IFM” usa el Vendor ID N°: 310 UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 20 Fig. 12. C “Vendor ID” para algunos fabricantes conocidos. • Device ID: Al igual que cada fabricante tiene su propio ID, cada sensor también lo tiene, para que asi el maestro IO Link pueda ubicarse dentro del “catalogo de configuraciones”, para el caso particular el flujostato SA5000 tiene un Device ID N°: 533 y el sensor de nivel LW2120 tiene un Device ID N°: 1532 ● Conversión de Señales y Mapeo de Registros: La integración de la isla IFM AL1342 permitió la conversión de señales IO-Link a Modbus, esencial para la comunicación con el PLC Schneider. El mapeo correcto de registros Modbus aseguró que todos los datos de los sensores fueran interpretados y gestionados adecuadamente por el sistema de control, facilitando una implementación eficiente. Mapeo: La parte más crucial del proyecto consta del correcto mapeo de registros de cada sensor hacia el PLC, esto con la intención de poder lograr una comunicación y visualización correcta de los datos. Teniendo en cuenta la Tabla 1 y la hoja de datos de cada componente del sistema Fig 13, Fig 14 y Tabla 2 (Sensores e isla IO Link) se procede a hacer el mapeo de registros en el PLC de la siguiente forma: UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 21 Fig. 13. Registros del radar de nivel LW2120. Fig. 14. Registros del flujostato SA5000. Tabla 2. Registros del Maestro IO Link AL1342. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 22 Fig. 15. Mapeo de registros según tabla 2 en PLC. ● Configuración de la HMI y Monitoreo de Proceso: Se desarrolló una interfaz de usuario intuitiva y se actualizo otra que estaba en funcionamiento mediante el software DOPsoft para el HMI, permitiendo a los operarios visualizar datos de sensores en tiempo real y realizar ajustes necesarios. Este trabajo asegura que el personal en planta tenga las herramientas necesarias para interactuar con el sistema de manera efectiva, mejorando la respuesta ante eventos inesperados. DopSoft: Es un software utilizado para diseñar interfaces HMI (Human-Machine Interface) en entornos industriales, permitiendo la interacción entre operarios y sistemas de control. Desarrollado para trabajar con las pantallas HMI de la marca Delta, facilita la creación de interfaces gráficas que permiten visualizar y controlar procesos en tiempo real. El uso de DOPsoft se centra en un entorno de programación gráfico, donde los objetos de la interfaz se arrastran y su comportamiento se parametriza mediante configuraciones simples. Además, su integración con protocolos como Modbus permite la visualización de datos críticos en tiempo real. Fig. 16. Interfaz para el control de densidades y peso de los tanques de químicos concentrados. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 23 Fig. 17. Parámetros que el operario puede variar en caso que el proveedor de químicos varie la composición. ● Historización de Datos: Se configuró el software Ignition para la recopilación y almacenamiento de datos históricos de los sensores, proporcionando un análisis detallado de la operación del sistema CIP. Esta información es crucial para identificar posibles áreas de mejora y optimizar el uso de productos químicos y recursos, asegurando un proceso de limpieza más eficiente y sostenible. Ignition: Es un software SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) desarrollado por Inductive Automation, que facilita la supervisión, control y análisis de procesos industriales en tiempo real. Es una plataforma abierta que permite integrar datos, visualizar información y controlar equipos desde una interfaz gráfica, optimizando la gestión de operaciones industriales. En este proyecto, Ignition se utilizó para historizar datos de los sensores integrados al sistema de limpieza, creando gráficos en tiempo real y alarmas para supervisar parámetros clave como el flujo, nivel de tanques, temperatura y caudal. Además, se implementó para el monitoreo remoto, permitiendo a los operarios visualizar y ajustar el proceso de limpieza desde cualquier dispositivo con acceso a internet, lo que optimiza la eficiencia y la toma de decisiones en la central CIP. Desde el punto de vista de los trabajos realizados y su resultado final, el análisis del sistema proporciona los siguientes problemas con su solución final. ● Evaluación de la Integración de Sensores: Se identificó que los sensores discretos existentes no podían integrarse eficazmente con el nuevo sistema de control basado en un PLC Schneider. Fue necesario reemplazar estos sensores por sensores de radar y flujostatos compatibles con IO-Link, que ofrecen mayor funcionalidad y precisión en la medición de variables del proceso. Este análisis inicial fue fundamental para definir la selección y parametrización de los nuevos sensores. ● Análisis de la Infraestructura de Comunicación: El sistema existente no contaba con una infraestructura de comunicación adecuada para la transferencia de datos en tiempo real desde los sensores al controlador central. Los trabajos realizados incluyeron la integración de la isla IFM AL1342 para convertir las señales IO-Link a Modbus, asegurando una comunicación fluida y eficiente con el PLC Schneider Modicon M340. Esto fue un paso crítico para mejorar la interoperabilidad del sistema. ● Revisión de la Lógica de Control y Mapeo de Registros: Se revisó la lógica de control programada en el PLC existente para identificar las modificaciones necesarias para integrar los nuevos sensores y dispositivos. Este trabajo incluyó la creación de un mapeo de registros Modbus adecuado para manejar los datos de entrada de los sensores, garantizando que el sistema de control UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 24 pudiera interpretar y actuar sobre la información proporcionada por los sensores de manera eficiente. ● Desarrollo de la Interfaz de Usuario y Capacitación: Parte del trabajo realizado incluyó el diseño y configuración de una nueva interfaz HMI para permitir a los operarios interactuar con el sistema y tomar decisiones informadas basadas en datos en tiempo real. Además, se capacitó al personal para utilizar el nuevo sistema de control y maximizar su eficacia en el monitoreo y gestión del proceso de limpieza. Luego de implementar los cambios con la consideraciones nombradas se obtuvo un sistema estable y fiable en el cual el operario y todo espectador que requiera parametrizar y/u observar el sistema (siendo el espectador solo limitado a observación por motivos de seguridad) donde cada movimiento de los parámetros bases del sistema es registrado así como su resultado y respuesta en el proceso de limpieza, siendo avisados mediante alarmas y correcciones automáticas en caso de haber alguna irregularidad, maniobra o proceso que influya negativamente en el sistema de limpieza. Montaje y ensayo real del prototipo. A continuación, se observa el montaje de los sensores en su ambiente de trabajo, en las figuras 18, 19 y 20 podemos visualizar la ubicación de los radares utilizados para el monitoreo del nivel de líquido en cada uno de los tanques. En la figura 21 podemos observar la instalación del flujostato utilizado para medir flujo/caudal que circula por esa cañería. Fig. 18. Radar LW2120 ubicado en tanque de metal de 1.8 m de soda caustica concentrada. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 25 Fig. 19. Radar LW2120 ubicado en tanque plástico de 1m de ácido concentrado. Fig. 20. Radar LW2120 ubicado en tanque de 4,8m de metal para solución de soda caustica. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 26 Fig. 21. Flujostato SA5000 ubicado en la línea de CIP 4. En las Figuras 22, 23 y 24, se puede observar el conexionado eléctrico del sistema, donde se visualiza el Maestro IO-Link con los sensores, la red industrial y el conexionado al PLC, luego se observan las borneras utilizadas para distribuir las conexiones y su disposición final en el tablero. Fig. 22. Maestro IO-Link AL1342 con los 8 sensores la red industrial y la conexión con PLC. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 27 Fig. 23. Maestro IO link AL1342, borneras de conexión de sensores y tablero finalizado Fig. 24. Borneras de conexión intermedia para los sensores. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 28 En las siguientes gráficas podemos observar, en la figura 25, las gráficas proporcionadas por el software Ignitión sobre los parámetros de funcionamiento del sistema, ya sea para el sensado de Soda como para Acido, en la figura 26 se puede observar la configuración de las alarmas utilizado para los sensores de nivel. Fig. 25. Graficas de Ignition para el sensado de solución de soda y acido. Fig. 26. Bloques de programa para la gestión de alarmas (Radar 1 y 4 desconectados). UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 29 En las figuras 27 y 28, se observa el diseño del HMI y como es su comportamiento ante una señal de alarma generada por un desperfecto en el sistema y en la figura 28 se observa el registro histórico de las alarmas generadas y que se visualizan en el HMI. Fig. 27. Aviso de la HMI al existir la presencia de alarma. Fig. 28. Registro histórico del fallo en la HMI. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 30 Fig. 29. HMI Instalado en tablero principal. Fig. 30. PLC instalado en tablero principal. Luego del armado y puesta en marcha del sistema de control, respecto a la mejora planteada, puedo realizar la siguiente apreciación sobre los elementos utilizados: ❖ Sensores Radar LW2120: Ventajas: Alta precisión para la medición de nivel, con variedad de montaje e inmune en gran medida UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 31 a los distintos procesos. Comunicación IO-Link y salidas digitales para futuras expansiones. Desventajas: Requiere software específico para la parametrización, al momento de cambiarse por otro, debe reemplazarse por uno exactamente igual, lo que puede aumentar la complejidad en la fase de configuración o a la hora de una falla fatal. ❖ Sensores Flujostatos SA5000: Ventajas: Proporcionan no solo flujo, sino también datos de temperatura y caudal. Adecuados para líquidos corrosivos como soda cáustica y ácido. Desventajas: El costo puede ser mayor en comparación con sensores más simples, pero se justifica por la cantidad de datos que ofrecen. ❖ Isla IFM AL1342: Ventajas: Excelente para la integración de múltiples sensores IO-Link con una salida Modbus. Parametrización compatible con el resto de la arquitectura. Desventajas: Limitada a 8 entradas, lo que puede ser un problema si se requiere expandir el sistema en el futuro. Tiene una configuración inicial sustancialmente más compleja que el resto de componentes debido al mapeo de registros para leer sus datos en el controlador. ❖ HMI Delta: Ventajas: Interfaz amigable y fácil de programar con DOPsoft. Permite al operario visualizar el proceso en tiempo real y hacer ajustes. Desventajas: Limitado en cuanto a personalización avanzada si se compara con otros sistemas de HMI más potentes como los de Siemens. Debe tenerse un estricto cuidado con las versiones de software respecto a la versión de firmware del dispositivo. Dependiendo de esto último puede hacerse altamente complejo y poco eficiente su configuración y test. Debido al tiempo que ha pasado en uso su fluidez y respuesta táctil se está deteriorando ❖ PLC Modicon M340: Ventajas: PLC robusto, ampliamente usado en la industria. Soporte para Modbus y dificultad fácil/media para integración con los sensores. Desventajas: Puede requerir actualizaciones si se buscan funciones más avanzadas o integraciones futuras. El PLC cumple con los requisitos para el proyecto, pero no deja de ser la gama más básica de los controladores Schneider en cuanto a gestión de memoria. ❖ Software Ignition: Ventajas: Plataforma flexible, con capacidades avanzadas de historización y monitoreo remoto, alto porcentaje de adaptabilidad y escalado. Perfecto para el control y análisis de datos en tiempo real. Software que se está introduciendo en la industria y probablemente se vuelva líder próximamente. Desventajas: Requiere licencias y puede tener una curva de aprendizaje muy dificultosa. Es el tipo de software que se encuentra en constante cambio por lo que sus funciones varían con cada versión y no es tan intuitivo. Requiere conocimiento de lenguaje C en algunas configuraciones y su costo de funcionamiento sobre todo para su introducción es muy costoso. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 32 Conclusiones Este proyecto de automatización y mejora demostró la integración de sensores analógicos como los de radar y flujostatos permitió una supervisión más precisa y detallada de los parámetros críticos del proceso, como nivel, flujo, temperatura y caudal. Al reemplazar los antiguos sensores discretos por estos nuevos dispositivos, no solo se ha mejorado la eficiencia del proceso, sino que también se ha aumentado la seguridad y confiabilidad al reducir la intervención manual y los riesgos de error humano. Uno de los logros más relevantes ha sido la automatización del sistema mediante la integración de un PLC Schneider Modicon M340 con protocolos de comunicación Modbus y IO-Link, permitiendo la transmisión precisa y rápida de datos entre los sensores y el sistema de control. Además, la implementación de la HMI Delta facilito la interacción del operario, brindando un acceso intuitivo a la información en tiempo real y permitiendo ajustes ante variaciones en el proceso. Ignition se ha mantenido para la historización y monitoreo remoto a lo largo de la planta debido a que ya están seteadas las bases de su arquitectura correspondiente y es perfecto para el monitoreo e historizado de proceso por lo que no se requiere ningún cambio, añade una capa adicional de control y análisis de datos a lo largo del tiempo. Más allá de las características técnicas, este proyecto ha aportado aprendizaje en la importancia de una planificación integral y una correcta elección de tecnologías. El proceso de selección, configuración y calibración de los sensores, la programación del PLC, y la puesta en marcha de los sistemas de visualización y monitoreo, todas ellas son tareas de suma importancia para aprender por parte de un profesional que busque desarrollarse en el sector. Durante la ejecución del proyecto, se notó cómo como la correcta parametrización de los sensores y el mapeo de los registros, impactan directamente no solo en el rendimiento global del sistema, sino puntualmente en la diferencia entre que un sistema funcione o no. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 33 Anexo I – Códigos de Fallas. De ser aplicable, esto serviría para diagnosticar de antemano fallas del sistema de control Tabla 3. Códigos de fallas posibles apreciables desde PLC para Flujostato SA5000. Tabla 4. Códigos de fallas posibles apreciables desde PLC para Radar LW2120. UTN - FRVM Departamento de Electrónica Universidad Tecnológica Nacional Automatización y mejora de central CIP para industria láctea pág. 34 Bibliografía Considine, D. (1957). Instrumentación industrial. Johnson, C. D. (2014). Process control instrumentation technology. Editorial Pearson. Nise, N. S. (2002). Sistemas de control para ingeniería (3.ra ed.). Editorial Cecsa. DigiKey. (s.f.). Los fundamentos de IO-Link y cómo usarlo para habilitar el IIoT industrial. https://www.digikey.com.mx/es/articles/the-fundamentals-of-io-link- and-how-to-use-it-to-enable-the-industrial Delta Electronics. (2021). DOPSoft user manual. https://filecenter.deltaww.com/Products/download/06/060302/Manual/DELTA_IA- HMI_DOPSoft_UM_EN_20211230.pdf ifm. (s.f.-a). Sensor de temperatura SA5000. https://www.ifm.com/ar/es/product/SA5000 ifm. (s.f.-b). Sensor de nivel capacitivo LW2120. https://www.ifm.com/ar/es/product/LW2120 ifm. (s.f.-c). Módulo de comunicación AL1342. https://www.ifm.com/ar/es/product/AL1342 Inductive Automation. (s.f.). Ignition 8.1 Documentation. https://www.docs.inductiveautomation.com/docs/8.1/intro Opiron. (s.f.). Mapa de memoria de Modbus. https://www.opiron.com/mapa-de-memoria- de-modbus/ EEYM UC. (s.f.). 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