PLC: Programación de un sistema de automatización de una linea de producción flexible de agua esterilizada

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PROGRAMACIÓN DE UN SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN DE
UNA LÍNEA DE PRODUCCIÓN FLEXIBLE DE AGUA
ESTERILIZADA
T E S I S
Q U E P A R A O B T E N E R E L T Í T U L O D E I N G E N I E R O E N
C O N T R O L Y A U T O M A T I Z A C I Ó N
PRESENTAN
ABRAHAM DEL PINO BAZÁN
JONATHAN EDWIN SÁNCHEZ MARCOS
TONANTZIN ELIZABETH GARCÍA LÓPEZ
ASESORES
ING. HUMBERTO SOTO RAMÍREZ
M. EN E. RICARDO HURTADO RANGEL
Ciudad de México Febrero 2018

Programación de un sistema de automatización de una línea de producción flexible de agua esterilizada
Índice
ÍNDICE
Página
Relación de Figuras............................................................................................... i
Relación de Tablas..............................................................................................viii
Objetivo General ...................................................................................................ix
Objetivos Específicos............................................................................................x
Resumen................................................................................................................xi
Introducción .........................................................................................................xii
Capítulo I. Tecnología y metodología aplicable en un sistema automatizado
1.1Sistemas automatizados.....................................................................................3
1.1.1 Controlador Lógico Programable..............................................................5
1.1.2 Normatividad PLC ....................................................................................7
1.1.3 Lenguajes de programación para PLC .....................................................8
1.1.4 Programación estructurada ....................................................................10
1.1.5 SIMATIC S7 – 300 .................................................................................13
1.2TIA Portal V13 ..................................................................................................16
1.2.1 Bloques lógicos y estructura...................................................................17
1.2.2 Comandos de programación ..................................................................19
1.2.3 Almacenamiento de memoria, áreas de memorias y direccionamiento ..23
1.2.4 Tipos de datos........................................................................................24
1.2.5 Configuración de estructura de programación........................................25
1.2.6 Interfaz Humano Máquina ......................................................................30
1.3Electroneumática..............................................................................................31
1.3.1 Actuadores.............................................................................................32
1.3.2 Electroválvulas.......................................................................................34

Índice
1.4GRAFCET ........................................................................................................35
1.4.1 Elementos de GRAFCET .......................................................................36
1.4.2 Condiciones de GRAFCET.....................................................................38
1.4.3 GRAFCET descriptivo............................................................................40
1.4.4 GRAFCET tecnológico...........................................................................40
1.4.5 Diagrama espacio – fase........................................................................43
Capítulo II. Bases de operación y funcionamiento para la programación del
…………… sistema automatizado
2.1Secciones de operación de la línea de envasado .............................................49
2.1.1 Sección de operación de embotellado....................................................50
2.1.2 Extrusión................................................................................................51
2.1.3 Soplado..................................................................................................52
2.1.4 Llenado ..................................................................................................54
2.1.5 Sellado...................................................................................................54
2.1.6 Cortado de sobrante del envase ............................................................55
2.2Sección de operación de tapado.......................................................................56
2.2.1 Colocación de tapa ................................................................................57
2.2.2 Colocación del anillo de seguridad.........................................................58
2.3Sección de operación de empacado.................................................................60
2.3.1 Distribución de las botellas.....................................................................60
2.3.2 Colocación de las botellas en el embalaje..............................................60
2.4Requisitos solicitados en la programación ........................................................62
2.4.1 Operación ..............................................................................................62
2.4.2 Seguridad...............................................................................................64
2.4.3 Apoyo al mantenimiento correctivo.........................................................66

Índice
Capítulo III. Desarrollo de la programación
3.1Metodología establecida para el desarrollo de la programación........................69
3.2Sistemas neumáticos........................................................................................70
3.3Funcionamiento de operación por representación espacio – fase.....................72
3.4Diseño de diagramas de funcionamiento en GRAFCET ...................................73
3.5Diseño de la estructura de programación .........................................................76
3.6Traducción de GRAFCET a lenguaje en escalera.............................................96
3.7Diseño de Interfaz Humano Máquina..............................................................102
Capítulo IV. Simulación y resultados
4.1Consideraciones para la simulación................................................................120
4.2Vinculación de TIA Portal V13 con FESTO FluidSIM ......................................122
4.3Simulación y operación de las secuencia con el uso de HMI ..........................123
4.4Comprobación de la programación .................................................................145
Conclusiones .....................................................................................................156
Recomendaciones .............................................................................................158
Bibliografía .........................................................................................................159
Apéndices
Apéndice 1. Diagramas neumáticos y tablas de variables....................................163
Apéndice 2. Diagramas de conexión eléctricos ....................................................172
Apéndice 3. Diagramas espacio – fase ................................................................177
Apéndice 4. GRAFCET ........................................................................................185

Relación de Figuras i
RELACIÓN DE FIGURAS
N° Figura Título Página
1. Partes de un sistema automatizado..................................................................... 3
2. Tecnologías de automatización. .......................................................................... 4
3. Arquitectura típica de un PLC.............................................................................. 7
4. Estructura secuencial. ....................................................................................... 11
5. Estructura selectiva. .......................................................................................... 12
6. Estructura repetitiva o de iteración. ................................................................... 12
7. PLC S7 - 300..................................................................................................... 14
8. Bloque de organización (OB)............................................................................. 18
9. Estructura modular. ........................................................................................... 18
10. Contacto normalmente abierto y normalmente cerrado. .................................... 19
11. Bobina............................................................................................................... 19
12. Comandos set y reset........................................................................................ 20
13. Temporizador a la conexión. ............................................................................. 20
14. Temporizador a la desconexión......................................................................... 21
15. Temporizador de pulso...................................................................................... 21
16. Contadores........................................................................................................ 22
17. Flancos.............................................................................................................. 23
18. Bloque Main (OB1)............................................................................................ 25
19. Instrucción programada en el segmento 1 del Main (OB1). ............................... 26
20. Opción para agregar nuevo bloque. .................................................................. 27
21. Ventana para seleccionar y agregar un bloque.................................................. 27
22. Bloque FB agregado.......................................................................................... 28
23. Arrastre de bloque FB al segmento. .................................................................. 28
24. Bloque FB en el segmento. ............................................................................... 28
25. Bloque FC agregado en el árbol de proyecto..................................................... 29
26. Bloque FC en segmento 1 del bloque FB. ......................................................... 29
27. Variables del bloque FC. ................................................................................... 30
28. Partes principales de un actuador lineal. ........................................................... 33

Relación de Figuras ii
29. Válvula de control direccional 3/2. ..................................................................... 34
30. Válvula de control direccional 5/2. ..................................................................... 35
31. Símbolo de etapa y etapa inicial........................................................................ 37
32. Símbolo de acción asociada.............................................................................. 37
33. Transición entre etapa y símbolo....................................................................... 38
34. Estructura de secuencia lineal........................................................................... 39
35. Ejemplo de GRACET tecnológico...................................................................... 40
36. Ejemplo de GRAFCET descriptivo..................................................................... 41
37. Ejemplo de esquema con lenguaje en escalera secuencial............................... 42
38. Ejemplo de esquema con lenguaje en escalera combinacional. ........................ 42
39. Diagrama espacio - fase (Millán Teja, 1995)...................................................... 43
40. Diagrama neumático de secuencia de dos actuadores...................................... 44
41. Diagrama espacio – fase de secuencia de dos actuadores. .............................. 45
42. Diagrama GRAFCET de secuencia de dos actuadores. .................................... 46
43. Diagrama de flujo de proceso 1......................................................................... 49
44. SYFPAC LVP. ................................................................................................... 51
45. Extrusión y moldeado. ....................................................................................... 51
46. Croquis de la sección 1 de embotellado. ........................................................... 52
47. Cierre de los moldes y corte de parison............................................................. 53
48. Soplado y moldeado del parison........................................................................ 53
49. Dosificación del líquido en el envase................................................................. 54
50. Producto envasado............................................................................................ 55
51. Sobrante del envase.......................................................................................... 55
52. Croquis de la sección 2 de embotellado ............................................................ 56
53. Junta de goma y capsula de plástico................................................................. 57
54. Aplicación de gota de agua estéril en la junta.................................................... 57
55. Alineación de envases....................................................................................... 58
56. Aplicación de collar de seguridad. ..................................................................... 59
57. Envase con collar de seguridad......................................................................... 59
58. Croquis de producto posicionado. ..................................................................... 60
59. Croquis de botellas colocadas en el embalaje. .................................................. 61

Relación de Figuras iii
60. Croquis de la sección de empacado.................................................................. 62
61. Bosquejo de la HMI principal. ............................................................................ 63
62. Bosquejo de la HMI del embotellado. ................................................................ 64
63. Diagrama del sistema neumático de la sección 1 del embotellado. ................... 71
64. Diagrama estado - fase de la sección 1 del embotellado................................... 73
65. GRAFCET tecnológico de la sección 1 del embotellado.................................... 74
66. GRAFCET descriptivo de la sección 1 del embotellado..................................... 75
67. Bloques del programa de la sección del embotellado........................................ 77
68. Bloque de asignación de entradas - marcas sin direccionamiento de
señales.............................................................................................................. 78
69. Variable del bloque entradas - marcas. ............................................................. 78
70. Lógica del bloque entradas - marcas................................................................. 78
71. Lógica del bloque de asignación de entradas - marcas. .................................... 79
72. Bloque de asignación de entrada a marca (E-M)............................................... 79
73. Bloque de asignación de marcas - salidas sin direccionamiento de señales. .... 80
74. Lógica del bloque de asignación de entradas - marcas. .................................... 80
75. Bloque de asignación de marca a salida (M - S)................................................ 81
76. Bloque de asignación de marcas - salidas sin direcciones. ............................... 81
77. Lógica del bloque de entradas........................................................................... 82
78. Bloque de activación y desactivación de etapas................................................ 82
79. Bloque de etapa - salida sin direcciones............................................................ 83
80. Lógica del bloque de repetición de etapas......................................................... 83
81. Bloque de etapas - salidas. ............................................................................... 84
82. Bloque de repetición de etapa sin direcciones................................................... 84
83. Lógica del bloque de repetición de etapas......................................................... 84
84. Bloque de repetición de etapa. .......................................................................... 85
85. Bloque de puesta a 1......................................................................................... 85
86. Lógica de bloque puesta a 0.............................................................................. 86
87. Bloque de puesta a 0......................................................................................... 86
88. Lógica de bloque puesta a 1.............................................................................. 87
89. Bloque reset de etapas...................................................................................... 87

Relación de Figuras iv
90. Lógica del bloque reset de etapas..................................................................... 87
91. Asignación de entradas a marcas en el Main. ................................................... 88
92. Asignación de marcas a salidas en el Main. ...................................................... 88
93. Lógica de activación y bloque del modo automático.......................................... 90
94. Lógica de activación y bloque del modo manual................................................ 90
95. Paro de emergencia. ......................................................................................... 91
96. Reestablecer paro de emergencia..................................................................... 91
97. Condiciones de seguridad para iniciar proceso. ................................................ 92
98. Conteo de lotes producidos. .............................................................................. 93
99. Reset del programa........................................................................................... 93
100. Conteo de lotes para mostrar en HMI................................................................ 94
101. Conteo de envases entregados......................................................................... 94
102. Tiempo de operación de sección. ...................................................................... 95
103. Conteo de tiempo de operación......................................................................... 96
104. GRAFCET de embotellado sección 1. ............................................................... 97
105. Bloque de función y su lógica de programación................................................. 98
106. Transición de etapa 1 a etapa 2 ........................................................................ 99
107. Bloque FC con direcciones de etapa y transición. ............................................. 99
108. Etapa con más de dos transiciones. ................................................................ 100
109. Bloques de asignación de marcas a salidas .................................................... 100
110. Bloque de asignación de etapas a salidas....................................................... 101
111. Etapas que repiten acciones asociadas........................................................... 101
112. Bloque de repetición de etapa. ........................................................................ 102
113. Selección del modelo de la HMI. ..................................................................... 102
114. Ventana de conexiones de PLC con HMI. ....................................................... 103
115. Formato de imagen de HMI. ............................................................................ 104
116. Ventana de avisos para HMI. .......................................................................... 104
117. Imágenes en HMI. ........................................................................................... 105
118. Imágenes del sistema de la HMI...................................................................... 106
119. Botones de la HMI........................................................................................... 106
120. Conexión entre PLC y HMI.............................................................................. 107

Relación de Figuras v
121. Agregar imagen para HMI. .............................................................................. 107
122. Herramientas para crear HMI. ......................................................................... 108
123. Campo de E/S................................................................................................. 108
124. Asignación de la marca de memoria................................................................ 109
125. Tabla de variables del PLC.............................................................................. 109
126. Variable asignada al campo E/S...................................................................... 110
127. Selección de botón.......................................................................................... 110
128. Ventana de asignación de eventos.................................................................. 111
129. Asignación de evento al botón......................................................................... 111
130. Diseño de la pantalla del modo automático de la sección 1 del embotellado... 112
131. Elección de colores para el fondo de la pantalla.............................................. 112
132. Selección de colores para cambio de apariencia............................................. 112
133. Modificación de los elementos agregados. ...................................................... 113
134. Arrastre de imagen para crear botón de dirección de pantalla......................... 113
135. Pantalla de inicio de la HMI. ............................................................................ 114
136. Pantalla de selección de modos de operación................................................. 114
137. Pantalla del modo automático. ........................................................................ 115
138. Pantalla de operación...................................................................................... 115
139. Pantalla del modo manual. .............................................................................. 116
140. Pantalla del modo fuera................................................................................... 116
141. Diagrama eléctrico de la sección 1 del embotellado. ....................................... 120
142. Diagrama electroneumático de la sección 1 del embotellado. ......................... 121
143. Activación de modo OPC................................................................................. 122
144. Etiquetas de accionamiento............................................................................. 123
145. Módulos de entradas y salidas. ....................................................................... 124
146. Pantalla de inicio. ............................................................................................ 125
147. Pantalla de selección de modo de operación................................................... 126
148. Segmentos para energizar el bloque de subrutina del modo automático. ........ 126
149. Pantalla del modo automático. ........................................................................ 127
150. Activación de condición para iniciar proceso. .................................................. 128
151. Activación del bloque de subrutina del modo automático. ............................... 128

Relación de Figuras vi
152. Pantalla de operación del modo automático. ................................................... 129
153. Detección de la señal del flanco. ..................................................................... 130
154. Retención de la señal del flanco...................................................................... 130
155. Inicio de simulación del diagrama electroneumático de la sección 1 del
embotellado en FESTO FluidSIM sin activar modo automático. ...................... 131
156. Señales de salida activas de acuerdo a las condiciones iniciales.................... 132
157. Inicio de la secuencia de operación................................................................. 132
158. Bloques de asignación de E - M con variables de entrada activas................... 133
159. Condiciones iniciales activas. .......................................................................... 134
160. Bloque de etapas con la etapa 1 activa. .......................................................... 135
161. Activación de la marca A1M para accionar al cilindro. ..................................... 135
162. Activación de la salida Q0.1 para la expulsión del vástago del actuador
100A................................................................................................................ 136
163. Expulsión del vástago del cilindro 100A........................................................... 136
164. Indicadores proceso en ejecución. .................................................................. 137
165. Lógica programada para el paro de emergencia. ............................................ 138
166. Activación del paro de emergencia.................................................................. 138
167. Segmento para desactivar el paro de emergencia........................................... 139
168. Pantalla del modo fuera................................................................................... 140
169. Pantalla de modo automático después de activar el paro de emergencia........ 140
170. Modo manual de la sección 1 del embotellado. ............................................... 141
171. Expulsión de vástagos..................................................................................... 142
172. Bloques de puesta a 1 para expulsión de los vástagos. .................................. 142
173. Regreso de los vástagos. ................................................................................ 143
174. Bloques de puesta a cero para regresar los vástagos. .................................... 143
175. Bloque para reestablecer las condiciones iniciales de la secuencia de
operación. ....................................................................................................... 144
176. Diagrama espacio – fase de la sección 1 de embotellado. .............................. 145
177. Diagrama espacio – tiempo obtenido en la simulación. ................................... 146
178. Comparación de la secuencia de operación del cilindro 100A en los
diagramas espacio – fase y espacio tiempo. ................................................... 146

Relación de Figuras vii
179. Comparación de la secuencia de operación del cilindro 100G en los
diagramas espacio – fase y espacio – tiempo. ................................................ 147
180. Diagrama espacio – fase de la sección 2 de embotellado. .............................. 147
181. Diagrama espacio – tiempo de la sección 2 de embotellado obtenido en la
simulación. ...................................................................................................... 148
182. Comparación de la secuencia de operación del cilindro 100H en los
183. Comparación de la secuencia de operación del cilindro 100H en los
184. Diagrama espacio – fase de la sección 1 del tapado. ...................................... 149
185. Diagrama espacio – tiempo de la sección 1 del tapado obtenido en la
simulación. ...................................................................................................... 150
188. Diagrama espacio – fase de la sección 2 del tapado. ...................................... 151
189. Diagrama espacio – tiempo de la sección 2 del tapado obtenido en la
simulación. ...................................................................................................... 152
190. Comparación de la secuencia de operación del cilindro 200F en los
191. Representación de la secuencia del actuador 200P comparado en los
192. Diagrama espacio – fase de la sección de empacado. .................................... 153
193. Diagrama espacio – tiempo de la sección de empacado obtenido en la
simulación. ...................................................................................................... 154
195. Comparación de la secuencia de operación del cilindro 300D en los

Relación de Tablas viii
RELACIÓN DE TABLAS
N° Tabla Título Página
1. Datos utilizados en la norma IEC 1131 - 3........................................................... 8
2. Datos técnicos SIMATIC S7 - 300 CPU 31xC y CPU 31x.................................. 15
3. Pasos recomendados para programar. ............................................................. 17
4. Acciones de los cilindros de la sección 1 del embotellado. ............................... 72

Objetivo General ix
OBJETIVO GENERAL
Realizar la programación de las etapas de embotellado, tapado y empacado de
una línea de producción de agua esterilizada, cumpliendo con las funciones de
operación, seguridad y apoyo al mantenimiento.

Objetivos Específicos x
OBJETIVOS ESPECIFÍCOS
 Planteamiento de una metodología para el desarrollo de la programación.
 Representar en GRAFCET las secuencias de la lógica de operación de las
secciones de embotellado, tapado y empacado.
 Desarrollar los sistemas electroneumáticos en el software FESTO FluidSIM
para determinar el número de entradas y salidas que serán necesarias
agregar en la memoria del PLC en la programación.
 Realizar la traducción de la representación GRAFCET de cada sección del
proceso a lenguaje de programación en escalera.
 Programar las secuencias de operación de las secciones de envasado
aplicando lenguaje de programación en escalera utilizando un controlador
lógico programable (PLC) S7 - 300 de la marca SIEMENS.
 Enlazar el software de simulación de sistemas electroneumáticos FESTO
FluidSIM con el software de programación del PLC TIA Portal V13.
 Obtener la representación de las secuencias de operación de las secciones
de embotellado, tapado y empacado en diagramas espacio - tiempo por
medio de la simulación en FESTO FluidSIM.
 Comprobar la programación mediante la comparación igualdad en términos
de operación de los diagramas espacio - tiempo obtenidos en la simulación
con los diagramas espacio – fase diseñados durante el conocimiento de las
secuencia de operación de las máquinas.
 Programar las funciones de operación, seguridad y apoyo en mantenimiento
para la interfaz humano máquina (HMI) de las secciones correspondientes.

Resumen xi
RESUMEN
En el presente trabajo se realizó la programación de las etapas de embotellado,
tapado y empacado de una línea de envasado de agua estéril haciendo uso de
programación estructurada. Se llevó a cabo la simulación de dicha programación
para comprobar que la secuencia programada de los actuadores corresponda con
la lógica de operación planteada. Se diseñó y programó una HMI donde se puede
observar el estado de los actuadores, el tiempo de operación y producción de
cada etapa del proceso.
Para el desarrollo de la programación y simulación se estableció una metodología,
partiendo del entendimiento de la lógica de operación de los equipos a programar,
donde se diseñaron diagramas GRAFCET y espacio – fase como herramienta
para el planteamiento de dicha lógica. Una vez obtenida la lógica de operación y
los diagramas se procedió a la traducción a lenguaje en escalera por medio del
software TIA Portal V13, utilizando programación estructurada donde se crearon
bloques de funciones y funciones dentro de un bloque principal llamado Main. En
cuanto a la simulación se hizo una conexión OPC entre TIA Portal V13 y FESTO
FluidSIM para el intercambio de información entre ambos software.
Al finalizar la programación y realizar la simulación se obtuvo que los diagramas
espacio – tiempo resultantes en FluidSIM coinciden con los diagramas diseñados
con base en la lógica de operación. Además se obtuvo el tiempo de operación y
producción de cada etapa del proceso por medio de la programación de la HMI
con respecto al tiempo de respuesta entre FluidSIM y TIA Portal V13.
El trabajo cumple con los objetivos planteados ya que se logró que los actuadores
de cada etapa realizaran las funciones programadas al reproducir las secuencias
de operación de los equipos. Además de contar con una HMI que permita la
interacción del usuario y visualización de las funciones de operación, seguridad y
apoyo al mantenimiento del equipo.

Introducción xii
INTRODUCCIÓN
El objetivo de este trabajo es realizar la programación de las etapas de
embotellado, tapado y empacado de una línea de producción de agua esterilizada,
cumpliendo con las funciones de operación, seguridad y mantenimiento del
producto de forma metodológica cumpliendo con la normatividad vigente.
En el primer capítulo del presente trabajo se realiza la descripción de los
elementos utilizados para llevar a cabo la programación así como las
características de los mismos, haciendo referencia a la utilidad proporcionada de
estos en el desarrollo del trabajo así como una comparativa entre algunos
haciendo énfasis en las ventajas proporcionadas por el elemento seleccionado.
En el segundo capítulo se describe la operación y funcionamiento del equipo
correspondiente a cada sección del proceso que se ha programado, así como los
requerimientos específicos tomados en cuenta llevar a cabo el desarrollo de la
programación y consideraciones de seguridad.
Después en el tercer capítulo se realiza la explicación de la metodología aplicada
para el desarrollo de la programación, y el cómo es que se utilizaron las bases
mencionadas en el primer capítulo, para finalmente obtener los resultados por
medio de la simulación y demostración física de la programación.
Por último, en el cuarto capítulo se encuentran las consideraciones para realizar la
vinculación entre FESTO FluidSIM y TIA Portal V13 de forma que sea posible
llevar a cabo la simulación de la cual se obtienen los diagramas espacio – fase de
las secuencias de operación de los equipos para compararlos con los diagramas
diseñados y determinar si existe igualdad entre ellos. Además se observa el
funcionamiento y programación de la HMI mostrando las funciones de operación,
seguridad y apoyo en mantenimiento de la sección de embotellado.

Introducción xiii
La programación estructurada en comparación con la programación lineal, permite
la elaboración de programas organizados por lo que es útil en el desarrollo y
comprensión de programas complejos, disminuye el tiempo y número de líneas de
programación además de facilitar la detección de fallas.
La aplicación de una metodología para el desarrollo de un programa permite que
la programación se realice con los menores inconvenientes posibles, ya que la
metodología conlleva a una planeación de las consideraciones q deben ser
tomadas en cuenta previo a realizar la programación. Para el planteamiento de la
metodología se pueden implementar métodos como lo son los diagramas
GRAFCET y diagramas espacio – fase, métodos aplicables a procesos
secuenciales.
Existen diferentes software de programación de PLC entre ellos se encuentra el
software TIA Portal V13 el cual ofrece dos estructuras de programación, lineal y
modular. Si se utiliza programación estructurada en el software TIA Portal V13, es
conveniente utilizar estructura modular ya que esta utiliza bloques lógicos o
funciones dentro de los cuales se puede realizar la programación de algún tarea
en específico de esta forma se facilita la comprensión del código al organizar las
líneas de programación a diferencia de una estructura lineal donde la
programación se encuentra únicamente en un bloque de organización. Además en
TIA Portal V13 también se pude programar y diseñar una HMI en la que el usuario
puede interactuar con el proceso.
El software de SIEMENS tiene la versatilidad de que se puede enlazar con el
software de simulación FESTO FluidSIM para poder observar la ejecución de las
tareas programadas de un sistema electroneumático donde con la lógica de
operación de la maquinaria del equipo se realizan los diseños de diagramas
GRAFCET y espacio – fase, diagramas que serán comparados con los obtenidos
en FESTO FluidSIM comprobando que la metodología aplicada y el diseño de los
diagramas corresponde a lo programado.

Introducción xiv
CAPÍTULO I
TECNOLOGÍA Y METODOLOGÍA APLICABLE
EN UN SISTEMA AUTOMATIZADO
En este capítulo se presenta la metodología, elementos y
tecnologías relacionadas con los sistemas automatizados y la
orientación para desarrollar una tarea para automatizar un
proceso de embotellado.

Capítulo I. Tecnología y metodología aplicable en un sistema automatizado 3
1.1 SISTEMA AUTOMATIZADO
Es la aplicación donde intervienen diferentes tecnologías para controlar y
monitorear un proceso, máquina o dispositivo a fin de operar automáticamente y
cumplir con funciones o tareas de producción con la mínima intervención del
hombre. El objetivo es incrementar el índice de producción en el menor tiempo
posible, mejorando la calidad y seguridad en el proceso. Un sistema de
automatización consta de dos partes principales, la parte operativa y la parte de
mando (Figura 1).
Figura 1.Partes de un sistema automatizado.
Parte operativa. Se compone de máquinas y dispositivos que realizan operaciones
mecánicas, para que sean ejecutadas estas operaciones la parte operativa recibe
información e instrucciones por la parte de mando [2].
Parte de mando. Está formada por uno o varios dispositivos para lograr la
coordinación entre las operaciones y mantener la parte operativa bajo control, esta
parte utiliza tecnologías de automatización para cumplir su objetivo [2].
Las tecnologías de un sistema automatizado se dividen en dos, tecnología
cableada y tecnología programada, a continuación se presentan algunas de las
características de este tipo de tecnologías.

Tecnología cableada. Al implementar este tipo de tecnología en la industria para
llevar a cabo la parte de mando, se debe realizar un cableado entre los elementos
de maniobra. Su funcionamiento depende de los elementos que componen el
sistema así como la forma en que han sido conectados.
Este tipo de tecnología presenta algunos inconvenientes, como escasa flexibilidad
ante modificaciones, las reparaciones son costosas, gran volumen y limitación
para funciones complejas.
Tecnología programada. Implica la programación de una serie de instrucciones
para que la parte operativa ejecute las acciones correspondientes dichas
instrucciones se almacenan en la memoria del dispositivo que se ha utilizado
(Controlador Lógico Programable (PLC), microcontrolador u ordenador). Esta
tecnología permite modificaciones en la programación sin cambiar el cableado,
permite la implementación de instrucciones para procesos complejos.
La Figura 2 muestra las tecnologías de automatización aplicadas en este trabajo,
es importante mencionar que es posible el uso de ambas tecnologías.
Figura 2. Tecnologías de automatización.

La empresa proporcionó un PLC para realizar la parte de mando del sistema sin
embargo no cuenta con la lógica para resolver la secuencia de movimiento de los
actuadores de la maquinaria y esta ejecute las tareas solicitadas. Para realizar la
programación es importante conocer las generalidades de un PLC así como
específicas de este de acuerdo al modelo y marca.
1.1.1 Controlador Lógico Programable
Un controlador lógico programable o por sus siglas en inglés PLC (Programmable
Logic Controller) es un dispositivo que cuenta con un sistema de control basado
en un microprocesador. Este dispositivo es útil dentro de procesos industriales al
ser aplicable en la mayoría de las situaciones de control que se presenten y
requieran automatización.
El PLC ejecuta continuamente las instrucciones indicadas en el programa de
usuario almacenado en su memoria, generando instrucciones de mando a partir
de las señales de entrada, al detectarse cambios en las señales, el autómata
reacciona según el programa hasta obtener las órdenes de salida necesaria. La
secuencia básica de operación del autómata se puede dividir en tres fases
principales:
 Lectura de señales desde la interfaz de entradas.
 Procesado del programa para obtención de las señales de control.
 Escritura de señales en la interfaz de salidas.
A fin de optimizar el tiempo, la lectura y escritura de las señales se realiza a la vez
para todas las entradas y salidas; las entradas leídas de los módulos de entrada
se guardan en una memoria temporal (imagen de entradas). La CPU ejecuta el
programa y conforme se obtienen las salidas, se almacenan en otra memoria
temporal (imagen de salida). Una vez ejecutado el programa completo, estas
imágenes de salida se transfieren al módulo de salida.

La implementación de los PLC en la industria ha ido en aumento al brindar
múltiples ventajas, al mejorar y ejecutar las tareas programadas con exitosos
resultados, sin embargo, presenta también algunas desventajas. A continuación se
mencionan algunas de las principales ventajas y desventajas de la implementación
de los PLC en procesos industriales.
Ventajas
 Es posible cambiar la lógica de programación, sin recurrir al cambio de la
estructura física del proceso
 Seguridad y monitoreo del proceso
 Flexibilidad, puede contener en su programación más de una tarea a
realizar
 Reducción del espacio de trabajo
 Permite la comunicación con otros dispositivos
 Control sobre varios actuadores al mismo tiempo
Desventajas
 El costo inicial es elevado
 El mantenimiento es costoso, debido a que este debe realizarse por
personal especializado
 Al ser el proceso totalmente dependiente del código de programación, este
no puede contener errores.
Un PLC basa su arquitectura (Figura 3) principalmente en los siguientes bloques:
 Fuente de alimentación
 Unidad central de proceso (CPU)
 Banco de memorias internas (memoria de programa, memorias internas y
memoria imagen de entrada/salida (E/S))
 Módulos o interfaces de E/S (módulos de E/S digitales, módulos de E/S
analógicos y módulos de E/S especiales)

Figura 3. Arquitectura típica de un PLC.
Con el objetivo de normalizar el campo de la automatización industrial mediante
PLC se han desarrollado normas para unificar los tipos de software y hardware de
los equipos. La norma IEC 61131 ha tenido gran influencia en la normalización de
los PLC en particular de los lenguajes de programación, en el siguiente subtema
se hace mención de forma más detallada de esta norma.
1.1.2 Normatividad PLC
La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) 61131 es un conjunto de normas
que se encarga de normalizar a los autómatas programables, esta norma consta
de ocho partes donde las partes 4 y 8 se refieren a informes técnicos [5] [9].
Parte 1: Información general
Parte 2: Especificaciones y ensayos de los equipos
Parte 3: Lenguajes de programación
Parte 4: Guías de usuario
Parte 5: Comunicaciones
Parte 6: Seguridad funcional
Parte 7: Programación de control difuso
Parte 8: Directrices para la aplicación e implementación de lenguajes de
programación.

A continuación describe en específico a la tercer parte de la IEC 61113, al ser este
el apartado que se toma como referencia para el desarrollo de la programación de
la línea de producción.
1.1.3 Lenguajes de programación para PLC
La norma IEC 61131 - 3 se encarga de normalizar los lenguajes de programación
utilizados en PLC para la automatización industrial, esta norma se divide en dos
partes las cuales son, elementos comunes y lenguajes de programación donde
dentro de elementos comunes se definen [5] [9] [11]:
 Tipos de datos
Los tipos de datos previenen errores al diferenciar entre los existentes,
determinando su aplicación y representación, no se permite hacer combinación
entre los tipos de datos. Los tipos de datos comunes son Boolean, Integer, Real,
Byte y Word entre otros que se pueden observar en la Tabla 1.
Tabla 1. Datos utilizados en la norma IEC 1131 - 3.
Denominación Bits Ejemplo Descripción
BOOL 1 FALSE o TRUE Variable binaria o lógica (Boolean)
INT 16 0..65535 Número entero con signo (Integer)
UINT 16 0 - 65535 Número entero sin signo
REAL 31 0.. 4560 Número real
BYTE 8 0..255 Conjunto de 8 bits
WORD 16 0..65535 Conjunto de 16 bits (Word)
DWORD 32 0..2147483647 Conjunto de 32 bits (Double Word)
TIME T#5d4h2m38s3.5ms Duración
DATE TOD#15:35:08.36 Fecha
TIME OF DAY D#2002 - 01 - 01 Hora del día
DATE_AND_TIME
DT#2002 - 01 - 01-
15:35:08.36
Fecha y hora
STRING "Autómata" Cadena de caracteres

 Variables
Las variables son los espacios reservados a un área de memoria en este caso del
PLC, donde se asignan direcciones de las entradas y salidas (E/S), marcas de
memoria y datos utilizados en la programación.
 Configuración de recursos y tareas
La configuración es específica para el tipo de sistema de control, del número de
entradas y salidas u otras capacidades del sistema. De acuerdo a la norma IEC se
puede entender el recurso como un procesador capaz de ejecutar programas, a su
vez las tareas controlan el inicio de las instrucciones del programa o bloques de
función y funciones.
 Unidades de organización de programa
Los bloques FB y las funciones FC son bloques que tienen la función de organizar
el programa. Los bloques FB contienen datos y estos pueden conservar
información de su estado, a diferencia de los FB los FC tienen la misma salida
para las mismas entradas, no conservan información y son reutilizadas las veces
que sea necesario.
 Gráfico Funcional Secuencial (SFC)
Este tipo de gráfico describe el comportamiento secuencial del programa, tiene la
ventaja de que se puede dividir el problema facilitando su comprensión,
diagnóstico de problemas y tareas de mantenimiento ya que si se programa
utilizando esta metodología se desarrolla de forma ágil la programación. Este tipo
de gráfico permite se realicen secuencias alternativas y simultáneas.

La tercer parte de la norma (61131 – 3) referente a lenguajes de programación,
indica que existen cuatro tipos para PLC, donde se dividen en lenguajes literales y
lenguajes gráficos.
 Lenguajes literales
 Lista de instrucciones ("Instruction List”, IL)
 Texto estructurado (“Strutured Text”, ST)
 Lenguajes gráficos
 Diagrama de escalera ("Ladder Diagram”, LD)
 Diagrama de bloques funcionales (“Function Block Diagram”, FBD)
La elección del lenguaje depende de la experiencia del programador, el nivel de
descripción del proceso, la aplicación particular, la estructura del sistema de
control y de la comunicación con otros departamentos de la empresa.
1.1.4 Programación estructurada
La programación estructurada es una forma en la cual un programador elabora
programas organizados y al mismo tiempo que sean fáciles de entender. Este tipo
de programación se distingue debido a que un programa puede ser elaborado
utilizando cualquiera de las tres estructuras de control de este tipo de
programación que son
 Estructura secuencial,
 Estructura selectiva
 Estructura repetitiva o iterativa

Una de las características de la programación estructurada es que se puede leer
fácilmente el código del programa realizado además de tener una correcta
presentación, permitiendo así la comprensión de dicho código, reduciendo el
tiempo de la elaboración y lectura de tal código.
 Estructura secuencial
Esta estructura indica que las instrucciones de un programa se ejecutan una
después de la otra en el orden que fueron colocadas en el programa. Su
representación gráficamente por medio de un bloque (etapa) después de otro y
ambos con una sola entrada y una sola salida.
Esta representación se puede visualizar como instrucciones o bloques que
independientemente de su complejidad o tamaño, indican el orden de ejecución
del programa. En la Figura 4 se pude observar este tipo de estructura.
Figura 4. Estructura secuencial.
 Estructura selectiva
Esta estructura permite elegir entre dos instrucciones, donde la decisión se basa
en el resultado de la evaluación de una condición; es la equivalente a la
instrucción IF en cualquier lenguaje de programación y su representación gráfica
es la siguiente. En la Figura 5 se representa esta estructura.

Figura 5. Estructura selectiva.
Se puede observar que C en la condición a evaluar; Si esta condición es
verdadera (V) pasa por A ejecutándose esa etapa, si la condición es falsa (F) se
ejecuta la etapa B. Esta estructura también consta de una sola entrada y de una
sola salida.
 Estructura repetitiva o de iteración
Esta estructura se utiliza para repetir una instrucción o grupos de instrucciones
tantas veces se requiera, pero tiene una característica esencial ya que solo se
podrá ejecutar dicha instrucción siempre y cuando su condición sea verdadera y si
no cumple con dicha condición el programa se seguirá ejecutando de manera
secuencial pasando a la siguiente instrucción como se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Estructura repetitiva o de iteración.

Se puede observar que se tiene una instrucción A y enseguida se tiene una
condición C, esta condición da la pauta para saber ejecutar el programa ya que sí
C es verdadera (V) se ejecuta repetitivamente esta instrucción pero si es falsa (F)
no se repite en ningún momento pasando a una nueva instrucción.
La programación estructurada tiene la ventaja de que sus bloques son auto-
explicativos, esto disminuye la documentación de un programa, y reduce el
esfuerzo en su elaboración haciendo un seguimiento de fallas facilitando la
observación de la lógica del programa. Otra ventaja con la que cuenta es que
puede detectar y corregir fácilmente los errores, creando programas sencillos y
rápidos. Los programas creados o diseñados se deben de leer de arriba hacia
abajo.
SIEMENS es una empresa dedicada al desarrollo e implementación de sistemas y
dispositivos que contribuyen a la ejecución de las tareas de automatización. En el
ámbito de las tecnologías de automatización, uno de los dispositivos que Siemens
ofrece es el Controlador Lógico Programable (PLC) del cual existen diferentes
gamas de acuerdo al nivel de automatización requerido, entre los que destacan los
controladores SIMATIC S7 - 1200, S7 - 1500, - S7 - 200, S7 - 300 y S7 - 400.
1.1.5 SIMATIC S7 – 300
El controlador SIMATIC S7 - 300 es un dispositivo de automatización concebido
para todos los sectores industriales. Constituye una solución óptima para
aplicaciones en arquitecturas de control centralizadas y descentralizadas en el que
se puede ampliar el sistema de acuerdo a las tareas a realizar, ahorra espacio en
la instalación y presenta un diseño modular.

El PLC S7 - 300, ofrece la flexibilidad y capacidad de controlar una gran variedad
de dispositivos para las distintas tareas de automatización. Este PLC se compone
de una CPU, módulos de entrada y salida en una carcasa compacta formando así
un potente PLC (Figura 7).
Figura 7. PLC S7 - 300.
Es importante conocer las características del PLC así como los módulos de
entrada y salida o de protocolos de comunicaciones con los que este cuenta, lo
cual permite al programador determinar si el PLC tiene la capacidad suficiente
para realizar las tareas que le sean programadas o si necesita de algún dispositivo
extra para que se logre el objetivo deseado.
El tener conocimiento de esta información aporta a la planeación de la estructura
del programa ya que previo a comenzar con la programación se realiza la
asignación de entradas y salidas así como de las marcas de memoria a utilizar.
En la Tabla 2 se presentan los datos técnicos más relevantes del PLC con CPU
315 – 2 DP, datos que proporcionan a este trabajo la información necesaria para
esto de acuerdo al manual de producto SIMATIC S7 - 300 CPU 31xC y CPU 31x,
Datos técnicos elaborado por SIEMENS.

Tabla 2. Datos técnicos SIMATIC S7 - 300 CPU 31xC y CPU 31x.
S7- 300 CPU 315 - 2DP
Área de
direccionamiento
2048 bytes para entradas (I)
2048 bytes para salidas (Q)
Cantidad de marcas 1023
Área de marcas 2048 bytes
Lenguaje de
programación
KOP / FUP /AWL
Tipo de bloques DB / FC/ FB
Cantidad 1024 FB y 1024FC
Ampliación con
módulos de señales
8
Interfaces
RS 485 integrada
MPI - Velocidad de transferencia 187kbit/s
PROFIBUS DP - Velocidad de transferencia hasta 12Mbit/s
Funciones de test y
puesta en marcha
estado/forzado variables
Variables de entradas, salidas, marcas, bloques DB,
temporizadores, contadores
Versión de hardware 5
Versión de firmware V 2.6
Para la programación del PLC S7 - 300 se utiliza el Software SIMATIC STEP 7 a
través de TIA Portal V13. A continuación se presenta una descripción más a
detalle de STEP 7 y TIA Portal.
 SIMATIC STEP 7
SIMATIC STEP 7 es un software en el TIA Portal V13 que se utiliza para la
programación, configuración, prueba y diagnóstico del controlador, este tiene
algunas características como la puesta en marcha, monitoreo y operación del
proceso.

Este software permite programar a los controladores SIMATIC en diferentes
lenguajes, su lenguaje se encuentra normalizado por la norma IEC 6113 - 3. STEP
7 se conforma por dos tipos de lenguaje de programación diferentes que son
lenguajes literales y lenguajes gráficos.
Dentro de los lenguajes literales se encuentra lenguaje de lista de instrucciones
que se refiere al lenguaje ensamblador de STEP 7 y lenguaje de texto
estructurado que se utiliza para realizar procesamiento de gran cantidad de datos.
En los lenguajes gráficos se tienen cuatro tipos de lenguaje que son esquema de
contactos o lenguaje en escalera, lenguaje de diagrama de bloques funcionales y
diagrama funcional de secuencias. Con estas herramientas se puede estructurar
un programa, ya que este tipo de lenguaje contiene bloques FB y FC que permiten
la organización y división de las etapas del proceso.
La programación de este controlador se realiza por medio del software TIA Portal
V13, el cual permite generar y cargar las instrucciones al controlador para que
este ejecute las tareas de automatización programadas. En el siguiente subtema
se describen características y aspectos importantes en la utilización de TIA Portal
[11].
1.2 TIA PORTAL V13
Para llevar a cabo la programación del proceso, la empresa cuenta con el software
TIA Portal V13 que permite configurar de forma intuitiva y eficiente todos los
procesos de planificación y producción. Convence por su funcionalidad probada y
por ofrecer un entorno de ingeniería unificado para todas las tareas de control,
visualización y accionamiento. El software TIA Portal V13 cuenta con los
elementos necesarios para llevar a cabo la programación que la línea de
producción de la empresa requiere.

La programación se realiza de un modo estructurado. La Tabla 3 proporciona una
serie de pasos sugeridos por el manual del PLC S7 – 300, que se ejecutaran para
facilitar el desarrollo de la programación de este proceso.
Tabla 3. Pasos recomendados para programar.
PASOS RECOMENDADOS PARA PROGRAMAR
División del proceso o máquina Embotellado, Tapado y Empacado
Especificaciones funcionales
Tiempo de operación, Producción
Definición E/S
Diseñar circuitos de seguridad
Paro de emergencia, dispositivos de
protección posible funcionamiento erróneo
de actuadores
1.2.1 Bloques lógicos y estructura
El TIA Portal ofrece dos tipos de estructura de programación las cuales son lineal
y modular. Para este proceso en particular se ha seleccionado la estructura
modular. A continuación se da una breve descripción de las estructuras que brinda
el software, resaltando las características de cada una.
 Estructura lineal
En una estructura lineal las instrucciones programadas se insertan en un bloque
lógico OB (Bloque de Organización) que ejecuta las tareas programadas de
manera secuencial, esto se hace utilizado lenguaje en escalera en el que se
combinan contactos y bobinas como elementos base aunque pueden agregarse
otros elementos complementen una instrucción para ejecutar una acción. En la
Figura 8 se representa dicho bloque.

Figura 8. Bloque de organización (OB).
 Estructura modular
La estructura modular utiliza bloques lógicos FB (Bloques de función) o funciones
(FC), los cuales contiene una tarea específica facilitando la comprensión del
código ya que se puede comprobar la funcionalidad de cada uno. Esta estructura
proporciona organización en el programa al haber un bloque para cada división.
Los bloques FB también se conocen como subrutinas, este tipo de estructura se
tiene un bloque principal que puede contener más bloques con una programación
diferente. Las subrutinas pueden ser ejecutadas al mismo tiempo siempre y
cuando sean activadas en el bloque principal, la Figura 9 muestra un ejemplo de
este tipo de estructura, las flechas indican la comunicación que existe entre las
subrutinas con el bloque principal, sin embargo entre ellas no hay acceso.
Figura 9. Estructura modular.

1.2.2 Comandos de programación
TIA Portal V13 ofrece una variedad de comandos que permiten el desarrollo de la
programación, estos se utilizan y colocan en los segmentos de acuerdo a su lógica
y función, a continuación se hace mención de los comandos que fueron utilizados
en este trabajo para el desarrollo de la programación.
 Contactos abiertos y cerrados
 El contacto normalmente abierto (NA) que se observa en la Figura 10, se
cierra (ON) cuando el valor de bit asignado es igual a 1.
 El contacto normalmente cerrado (NC) que se observa en la Figura 10, se
cierra (ON) cuando el valor de bit asignado es igual a 0.
Figura 10. Contacto normalmente abierto y normalmente cerrado.
 Bobina
Esta instrucción tiene la función de escribir un bit de salida. Si el bit de salida
indicado utiliza identificador de memoria Q, la CPU activa o desactiva el bit de
salida en la memoria, poniendo el bit especificado al correspondiente estado de
flujo de corriente (Figura 11).
Figura 11. Bobina.

 Set y Reset
Estos comandos permiten memorizar una acción (Figura 12), se memoriza la
salida con la presencia de una señal, aun cuando esta señal desaparezca, es
importante mencionar que por cada bobina set debe haber una bobina reset.
Figura 12. Comandos set y reset.
 Temporizadores
Son elementos que se programan para regular el tiempo de conexión y
desconexión de un circuito eléctrico. Existen diferentes tipos que ofrece TIA Portal
de temporizadores, a la conexión, a la desconexión y pulsos.
Los temporizadores a la conexión (ON DELAY) detecta el flanco de subida, se le
programa un tiempo y este comenzará en el momento en que su bobina sea
energizada, una vez se ha terminado el conteo el temporizador regresa a su
estado inicial, (Figura 13).
Figura 13. Temporizador a la conexión.

Un temporizador a la desconexión (OFF DELAY) detecta un flanco de bajada,
cuando se energiza la bobina del temporizador cambia de estado inmediatamente
y al desenergizar la bobina comienza su conteo, al terminar el conteo el
temporizador regresa a su estado inicial, (Figura 14).
Figura 14. Temporizador a la desconexión.
Los temporizadores a pulsos detecta un flanco de subida instantáneamente
durante un tiempo, al dar un pulso que sería una entrada se inicia el proceso de
conteo, durante ese tiempo el temporizador se mantendrá en estado alto, al
terminar el conteo se pondrá en estado bajo. Sí durante el conteo se vuelve a dar
un pulso, el conteo se reiniciará (Figura 15).
Figura 15. Temporizador de pulso.

 Contadores
Estos elementos permiten realizar un conteo cada determinado número de
eventos en sus entradas pueden realizar dos tipos de conteos ascendente y
descendente. Los contadores realizan su conteo cada que este registre un bit, de
igual forma existe contador que combina un contador descendente y otro
ascendente (Figura 16).
Figura 16. Contadores.
 Cálculo aritmético y lógico
A un PLC se le puede programar las instrucciones para que realice operaciones
de aritmética y lógica, TIA Portal cuenta con algunas de estas instrucciones como
Suma, Resta, Multiplicación, División Comparadores, entre otros.
 Flancos
Las instrucciones de detección de flancos utilizan una marca donde se almacena
el estado anterior de la señal de entrada que se está vigilando (Figura 17). Un
flanco se detecta comparando el estado de la entrada con el estado de la marca.
Si los estados indican un cambio de la entrada en el sentido deseado, se notifica
un flanco activando la salida (TRUE), de lo contrario se desactivará la salida
(FALSE).

Figura 17. Flancos.
Un Flanco positivo se activa cuando se detecta un flanco ascendente de 0 a 1
(OFF – ON) en el bit IN asignado. Por el contrario un flanco negativo se activa al
detectar un flanco descendente de 1 a 0 (ON - OFF).
1.2.3 Almacenamiento de memoria, áreas de memoria y direccionamiento
La CPU ofrece varias opciones para almacenar datos durante la ejecución del
programa de usuario:
Memoria global: La CPU ofrece distintas áreas de memoria, incluyendo entradas
(I), salidas (Q) y marcas (M). Todos los bloques lógicos pueden acceder sin
restricción alguna a esta memoria.
Bloque de datos (DB): Es posible incluir DBs en el programa de usuario para
almacenar los datos de los bloques lógicos. Los datos almacenados se conservan
cuando finaliza la ejecución del bloque lógico asociado. Un DB "global" almacena
datos que pueden ser utilizados por todos los bloques lógicos, mientras que un DB
instancia almacena datos para un bloque de función (FB) especifico y está
estructurado según los parámetros del FB.
Memoria temporal: Cada vez que se llama un bloque lógico, el sistema operativo
de la CPU asigna la memoria temporal o local (L) que debe utilizarse durante la
ejecución del bloque. Cuando finaliza la ejecución del bloque lógico, la CPU
reasigna la memoria local para la ejecución de otros bloques lógicos.

Es importante que el direccionamiento de las memorias, sea única ya que si se
utiliza la misma memoria para dos elementos con diferentes funciones, el software
no distingue una de otra.
Si se desea conocer la dirección que ha sido asignada a cada elemento y las
direcciones no se repiten, se puede visualizar en el plano de ocupación de las
variables del PLC, verificando o reasignando las direcciones de los elementos a
una nueva marca de memoria.
1.2.4 Tipos de datos
Los tipos de datos se utilizan para determinar el tamaño de un elemento de datos
y cómo deben interpretarse los datos. Todo parámetro de instrucción soporta
como mínimo un tipo de datos, algunos parámetros soportan varios tipos de datos.
Si se dese conocer el tipo de dato se debe situar el cursor sobre el campo de
parámetro de una instrucción para ver qué tipos de datos soporta el parámetro en
cuestión. Un parámetro formal es el identificador en una instrucción que indica la
ubicación de los datos que deben utilizarse (ejemplo: la entrada IN1 de una
instrucción ADD). Un parámetro actual es la posición de memoria o constante que
contiene los datos que debe utilizar la instrucción (ejemplo: %MD400
"Número_de_widgets").
El tipo de datos del parámetro actual definido por el usuario debe concordar con
uno de los tipos de datos que soporta el parámetro formal especificado por la
instrucción. Al definir un parámetro actual es preciso indicar una variable (símbolo)
o una dirección absoluta. Las variables asocian un nombre simbólico (nombre de
variable) con un tipo de datos, área de memoria, offset y comentario. Se pueden
crear bien sea en el editor de variables PLC, o bien en la interfaz del bloque (OB,
FC, FB o DB).

Si se introduce una dirección absoluta que no tenga una variable asociada, es
preciso utilizar un tamaño apropiado que coincida con el tipo de datos soportado.
Al realizar la entrada se creará una variable predeterminada.
1.2.5 Configuración de estructura de programación
Para estructurar la programación en el PLC S7 – 300 a través del software TIA
Portal V13 se utilizó estructura modular con bloques lógicos de datos de instancia,
bloques lógicos sin memoria y estructuración lineal con lenguaje en escalera,
todos estos integrados en un módulo de organización OB. Este tipo de estructura
permite que el procesamiento de instrucciones sea secuencial y cíclico, además
de que mejora la claridad de lectura del programa, así como la calidad y el tiempo
de desarrollo del mismo. A continuación se describen las estructuras que brinda el
software, resaltando las características de cada una.
 Estructura lineal
En la estructura lineal las instrucciones se programan dentro de un bloque lógico
predeterminado llamado OB (Bloque de Organización), este bloque se requiere
para la interfaz entre el sistema operativo de SIEMENS y el programa de usuario
de modo que realice la función específica de arranque lo que permite dar inicio a
la ejecución del programa. En el software dicho bloque está especificado como
Main (OB1), en la Figura 18 se observa esta especificación.
Figura 18. Bloque Main (OB1).

Las instrucciones se programan en lenguaje en escalera que consta
principalmente de contactos normalmente abiertos, normalmente cerrados y
bobinas que se colocan según se requiera y en conjunto forman una lógica
funcional la cual está representada en segmentos directamente en el Main, en la
Figura 19 se observa con el ejemplo de un arranque y paro de un motor.
Figura 19. Instrucción programada en el segmento 1 del Main (OB1).
Si se desea programar un proceso complejo únicamente utilizando esta estructura
no es recomendable ya que dificulta la lectura, comprensión y búsqueda de
variables del programa debido a que aumenta la cantidad de segmentos de la
programación.
 Estructura modular
La estructura modular utiliza bloques de función FB los cuales son bloques lógicos
de datos con instancia de memoria lo que permite guardar información de forma
temporal, esta estructura también utiliza bloques lógicos FC que a diferencia del
bloque FB no tiene instancia de memoria por lo que no guarda información,
únicamente ejecuta la lógica que le ha sido asignada.

Para la estructura con el bloque de función FB, jerárquicamente representa un
bloque secundario debido a que el bloque de organización OB (Main) es el
principal y el que llama al bloque secundario para que se ejecute y transferirle el
control; el bloque FB es utilizado como subrutina para dividir la estructura del
programa con la finalidad de que este organizada lo que permite que la
comprobación y detección de errores se facilite. A continuación se presentan los
pasos para agregar bloques FB y FC.
1. En el árbol de proyecto, localizar la opción desplegable Bloques de
programa y dar doble clic en Agregar nuevo bloque, la Figura 20 muestra
la ubicación de esta opción.
Figura 20. Opción para agregar nuevo bloque.
2. Al seleccionar la opción de agregar bloque aparece una ventana como la de
la Figura 21 en la que aparecen cuatro opciones, bloque de organización
OB, bloque de función FB, función FC y datos de boque DB.
Figura 21. Ventana para seleccionar y agregar un bloque.

Se selecciona la opción de Bloque de función FB y en el árbol del proyecto
aparece que ha sido agregado, tal como se muestra en la Figura 22.
Figura 22. Bloque FB agregado.
3. Para colocar el bloque FB en el segmento, con el cursor seleccionar el
bloque, dar clic y mantenerlo para posteriormente arrastrarlo hasta llevarlo
al segmento (Figura 23), una vez en el segmento, aparecerá un cuadro
pequeño de color verde lo que indica que el bloque puede ser agregado, se
deja de mantener el clic y finalmente queda agregado como se puede
observar en la Figura 24.
Figura 23. Arrastre de bloque FB al segmento.
Figura 24. Bloque FB en el segmento.

4. Una vez agregado el bloque FB, dar doble clic sobre él y aparecerá los
segmentos internos, en ellos, agregar el bloque FC de la misma forma que
en el paso 3, en la Figura 25 se puede visualizar que se ha agregado en el
árbol de proyecto con el nombre de Bloque_4 [FC] y en la Figura 26 el
bloque arrastrado al segmento. Si se desea cambiar el nombre del bloque,
se da clic derecho sobre el bloque en el árbol de programa y se selecciona
cambiar nombre.
Figura 25. Bloque FC agregado en el árbol de proyecto.
Figura 26. Bloque FC en segmento 1 del bloque FB.
Se debe tener cautela en la asignación de nombres y en la lógica ya que una vez
que el bloque ha sido colocado en una subrutina o el programa principal, este
puede ser modificado pero hay que hacer la reasignación del bloque nuevamente
ya que se cambiaron sus propiedades y se indicará como error.
 Asignación de direcciones
Para asignar la lógica en el bloque FC, se da doble clic sobre el mismo y
aparecerá un segmento en blanco en el que se puede insertar contactos según se
requiera para la lógica de funcionamiento.

En la parte superior se encuentra el listado de funciones con las cuales cuenta el
bloque, las funciones de interés en este caso son la variable de entrada Input y la
variable de salida Output, en la Figura 27 se muestran dichas funciones.
Figura 27. Variables del bloque FC.
Los sistemas automatizados utilizan redes de comunicación donde existe una
transferencia de datos entre los dispositivos que conforman la red, además de los
lenguajes de programación que ofrece TIA Portal V13 está permite la
comunicación PROFINET y PROFIBUS, protocolos que se explican en el siguiente
subcapítulo.
1.2.6 Interfaz Humano Máquina
Una Interfaz Humano Máquina (HMI) es un sistema que permite la interacción
entre un hombre y una máquina, aplicable a sistemas de automatización para las
tareas de supervisión, alarmas, control, visualización y almacenamiento de datos,
en las cuales el operador puede tomar acciones sobre el sistema interactivo. Para
brindar beneficios en la automatización, esta interfaz se combina con el PLC a
través de una conexión de red en serie lo que posibilita al operario obtener más
información de la máquina.

Por estas razones, las interfaces hombre – máquina son ampliamente usadas en
el mercado industrial y han ido avanzando en prestaciones y características
técnicas junto con los requerimientos de sus usuarios.
Las HMI de hoy deben tener la capacidad de entregar y acceder
transparentemente a una gran cantidad de información proveniente de múltiples
fuentes diferentes, pero al mismo tiempo no debe sobrecargar al operador con
información no relevante, esto es una consideración que debe tomar en cuenta el
diseñador de la interfaz.
1.3 ELECTRONEUMÁTICA
La combinación de electricidad y neumática se usan frecuentemente en máquinas
e instalaciones. La principal aplicación de los sistemas electroneumáticos se
encuentra en aquellos casos en los que el aire comprimido se usa como fuente de
energía con la ayuda de cilindros, mientras que los distribuidores son accionados
eléctricamente [8].
En los casos donde existe un gran peligro de incendio o explosión, ambientes
húmedos, radiaciones, campos magnéticos, etc., se prefiere el uso exclusivo de la
neumática. Como argumento para la utilización del mando eléctrico se pueden
citar los siguientes [8]:
 Gran velocidad de transmisión de las señales. En una línea de eléctrica, la
distancia no tiene consecuencia en el tiempo de respuesta. En una línea
neumática si la tiene.
 Aumento de las posibilidades de control debido al constante incremento de
elementos de control disponibles en las técnicas eléctrica y electrónica.
 Ahorro de energía. La electricidad resulta más económica que el aire, pues
debido al bajo rendimiento de los compresores solamente se transmite en
forma neumática una parte no muy grane de la energía eléctrica.

 Los elementos eléctricos y electrónicos son más económicos a causa de su
producción masiva.
 Estos mismos elementos son a menudo muy pequeños, ocupan poco
espacio y son fáciles de montar.
Los elementos que enlazan estas dos técnicas son:
 Distribuidores electroneumáticos
 Presóstatos
 Válvulas neumáticas proporcionales
1.3.1 Actuadores
Un actuador es un dispositivo capaz de convertir la potencia fluida (caudal
presurizado) en trabajo mecánico que se ejecuta con cierto ritmo en el tiempo.
Cualquiera que sea el tipo de actuador lineal, rotatorio o un motor siempre
funciona mediante el desplazamiento de una frontera móvil.
Existen dos tipos básicos de actuadores lineales: de simple efecto los cuales
efectúan trabajo en un solo sentido, generalmente la extensión, y se retraen con la
fuerza de un resorte y de doble efecto, que pueden efectuar trabajo en ambos
sentidos según reciban la alimentación de potencia en el puerto de la tapa o de la
cabeza [1].
Para que el pistón se desplace en cierto sentido extensión o retroceso es
necesario inundar una de las cámaras del cilindro con la potencia fluida: el lado de
la tapa para la extensión: el lado de la cabeza para el retroceso.
El otro lado del pistón debe desalojar al volumen de fluido contenido dentro del
cuerpo cilíndrico (hacia la atmósfera en un sistema neumático; hacia el tanque en
un sistema hidráulico).

 Funcionamiento de actuador lineal
Los actuadores lineales tanto neumáticos como hidráulicos funcionan mediante el
desplazamiento de una superficie móvil, plana, la cual es empujada por la
aplicación de fuerzas de presión fluida [1].
Esta frontera móvil es el pistón, el cual avanza deslizándose dentro del cuerpo del
cilindro y esta acoplado a un vástago. Este se encuentra apoyado en un casquillo
y un conjunto de sellos, llamado prensaestopas del vástago (Figura 28) [1].
Figura 28. Partes principales de un actuador lineal.
El vástago sale del cilindro a través del extremo llamado “cabeza”; el extremo
opuesto del cilindro se llama “tapa”. En la cabeza y en la tapa existen sendos
puertos, que permiten la entrada y salida del caudal presurizado [1].

1.3.2 Electroválvulas
Las electroválvulas o válvulas de control direccional actuadas por solenoide son
válvulas que se accionan por medio de solenoides eléctricos, este es un
dispositivo mecánico formado por una bobina de alambre de cobre, arrollada
alrededor de un espacio de aire con forma cilíndrica.
Al fluir una corriente eléctrica a través del solenoide se genera un campo
magnético que induce una fuerza sobre la armadura central de hierro y la desplaza
linealmente [1] [8].
 Válvulas de control direccional
Permiten elegir el camino a través del cual avanza la potencia fluida y, por
consiguiente, si el fluido de trabajo entra o sale del cilindro de un actuador. Así es
como se determina si un actuador lineal se extiende o se retrae.
 Válvulas de control direccional 3/2
Las válvulas de tres vías dos posiciones también se clasifican como normalmente
abiertas y normalmente cerradas, con base en la posición que adopta la válvula
durante el reposo (ausencia de fuerza para conmutarla), debido a la presencia de
un resorte (Figura 29).
Figura 29. Válvula de control direccional 3/2.

Para su accionamiento, es suficiente con enclavar el mecanismo de actuación de
la válvula 3/2 normalmente cerrada y conmutarla a la posición abierta (conexión 1-
2) para llevar el caudal de aire comprimido hacia la entrada del actuador de simple
efecto, de esta forma el vástago del actuador desarrollará su carrera. El retorno
del vástago se efectúa por la acción del resorte de la válvula.
 Válvulas de control direccional 5/2
Esta válvula se representa en la Figura 30, tiene una alimentación de presión
desde la línea de abastecimiento por el puerto 1 y dos comunicaciones
independientes hacia la atmósfera por los puertos 3 y 5 descargar el fluido que
retorna desde las cámaras de la tapa y la cabeza en el actuador.
Figura 30. Válvula de control direccional 5/2 [1].
1.4 GRAFCET
Para el diseño de sistemas automatizados se pueden aplicar diferentes
metodologías de acuerdo a la estructura del proceso, la experiencia del equipo de
trabajo y la tecnología con la que se esté trabajando. Dentro de estas
metodologías se encuentra el Gráfico de Etapas de Transición (GRAFCET) el cual
permite hacer un modelo del proceso a automatizar, considerando las condiciones
intermedias para que se ejecuten las acciones y se cumplan las tareas [6].

Existen procesos que requieren estructuras complejas, en las que se representan
bucles, tomas de decisiones o tareas simultáneas que deben sincronizarse. Para
estos casos el GRAFCET (Gráfico de Etapas de Transición) dispone de otras
estructuras a partir de las cuales pueden generarse los diagramas de dichos
procesos.
El GRAFCET es una representación gráfica para sintetizar el funcionamiento de
un sistema automático, en el que se interpretan las acciones y condiciones para
llevar a cabo el objetivo de la tarea propuesta y los procesos intermedios que
provocan estas acciones.
1.4.1 Elementos de GRAFCET
El GRAFCET se estructura por un conjunto de elementos que representan la
metodología para el funcionamiento y el orden de las acciones que se deben
ejecutar. Dicha estructura se compone de etapas, acciones asociadas y
transiciones.
 Etapa
Representa el estado en el que se encuentra el sistema. Cada etapa debe
corresponder a una situación tal que, las salidas dependan únicamente de las
entradas. En un momento determinado, y según sea la evolución del sistema [10]:
 Una etapa puede estar activa o inactiva.
 El conjunto de las etapas activas definen la situación de la parte de mando.
Las etapas se representan por un bloque. La entrada y salida de una etapa
aparece en la parte superior e inferior respectivamente de cada bloque [7].

El conjunto formado por estos y la extensión de las entradas y salidas constituye el
símbolo completo de la etapa. La etapa inicial se representa con un doble cuadro,
en la Figura 31 se muestra el símbolo para la etapa y etapa inicial [7].
Figura 31. Símbolo de etapa y etapa inicial.
 Acciones asociadas
Define la acción que va a realizar la etapa. Las acciones están descritas, literal o
simbólicamente, en el interior de uno o varios rectángulos unidos al símbolo de la
etapa a la que van asociados. En la Figura 32 se observa el símbolo que
representa dicha acción [7].
Figura 32. Símbolo de acción asociada.
 Transición
Condición lógica necesaria para finalizar la actividad de una etapa e iniciar la
siguiente de manera consecutiva [10].

La transición entre dos etapas se representa mediante una línea perpendicular a
las uniones orientadas, también puede llevar una línea paralela a las uniones
orientadas, (Figura 33).
Figura 33. Transición entre etapa y símbolo.
1.4.2 Condiciones de GRAFCET
En el GRAFCET se debe valorar todas las posibilidades de evolución, y por ello,
es importante considerar lo siguiente:
 Se divide el proceso en etapas que serán activadas una tras otra.
 Cada etapa puede experimentar dos estados posibles, activos o inactivos.
 A cada etapa se le asocia una o varias acciones que se ejecutan cuando se
activa.
 El cumplimiento de una condición de transición implica la activación de la
etapa siguiente y la desactivación de la etapa precedente.
 Nunca puede haber dos etapas o condiciones consecutivas, siempre deben
ir colocadas de forma alterna.
 El GRAFCET debe estar siempre cerrado sin dejar ningún camino abierto,
de otro modo, se interpreta como incoherencia.

 Secuencia lineal
El ciclo se compone de una sucesión de etapas. El programa activará
secuencialmente cada una de ellas y las desactivará conforme se cumplan las
condiciones. Las acciones se realizarán en función de la etapa activa a la que
están asociadas. En la Figura 34 se muestra la estructura de esta secuencia.
Figura 34. Estructura de secuencia lineal.
Las propiedades que cumple esta estructura son las siguientes:
 Solamente una etapa debe estar activa en un periodo determinado, con el
propósito de evitar que la lógica sea contradictoria.
 Se activa una etapa cuando se encuentre activa la anterior y se cumplan las
condiciones de transición entre ambas.
 La activación de una etapa implica automáticamente la desactivación de la
etapa anterior.

1.4.3 GRAFCET descriptivo
Es una representación del funcionamiento lógico de un sistema, tiene la
característica que se realiza independiente a las acciones que se tomen en cuanto
a la tecnología empleada en el proceso, a la nomenclatura utilizada y a las
variables seleccionadas, describiendo la sucesión de etapas, las acciones
asociadas y las condiciones o transiciones de cada etapa. La Figura 35 muestra
un ejemplo de este tipo de GRAFCET.
Figura 35. Ejemplo de GRACET tecnológico.
1.4.4 GRAFCET tecnológico
Se toma en cuenta la tecnología empleada (cilindros, motores, válvulas,
pulsadores, finales de carrera, etc.) en cada etapa y acción que permitan formular
las condiciones de transición., así como las variables seleccionadas y la
nomenclatura utilizada, haciendo referencia de ellas a lo largo del GRAFCET para
describir las tareas a realizar los elementos a controlar. En la Figura 36 se puede
ver un ejemplo de este GRAFCET.

Figura 36. Ejemplo de GRAFCET descriptivo.
Una vez obtenido el diagrama de control del sistema relacionando los actuadores
con los sensores, se puede realizar un diseño del sistema de control pasando de
GRAFCET a obtener el lenguaje en programación escalera, el cual tiene dos
manera de realizarse.
 Lenguaje en escalera secuencial
Comprende la estructura de etapas y condiciones de transición que las relacionan
asignando a cada etapa un bit interno del PLC que representa el estado de la
variable interna de esta etapa, representando si la etapa está activa o inactiva a
través de las instrucciones de Set (Latch) y Reset (UnLatch), determinadas a partir
de los comandos de transición indicadas en el GRAFCET [4].
La instrucción Latch o Set es cuando la etapa del sistema se quiere mantener
activa, esta solo se activará si se encuentran sus condiciones para realizar su
lógica y siguiendo la secuencia del GRAFCET cambiara su estado si se presentan
las condiciones necesarias para que suceda esto. La instrucción Unlatch o Reset
es cuando existe una desactivación del bit interno de una etapa que se encuentren
activas, en algunos casos la desactivación de la etapa debe realizarse tan pronto
como se encuentre activa la etapa posterior. En la Figura 37 se observa un
ejemplo para esquematizar lo mencionado.

Figura 37. Ejemplo de esquema con lenguaje en escalera secuencial.
 Lenguaje en escalera combinacional
En este se visualizan todas las acciones a efectuar en cada etapa, se desarrollan
las etapas del proceso con su respectiva acción y hacer al sistema funcional, de la
manera en la que se requiere, obteniendo un esquema lógico. Puede darse el
caso que para una etapa del sistema, alguna acción se repita, entonces deberá de
tener dos etapas para la misma acción, ya que esto puede reducir líneas de
código y tener una mejor comprensión del mismo. En la Figura 38 se presenta un
esquema con el que se representa este lenguaje.
Figura 38. Ejemplo de esquema con lenguaje en escalera combinacional.
Estos dos tipos de lenguaje en escalera es la traducción del GRACET a una
estructura para el programa a realizar.

1.4.5 Diagrama espacio - fase
Para el desarrollo de los diagramas se requiere conocer la secuencia de
movimientos que los actuadores llevarán a cabo durante el proceso, permitiendo la
representación de la secuencia y acción de cada actuador. Este tipo de diagrama
permite se represente el estado en el que se encuentran los actuadores, en este
caso si el vástago de algún cilindro ha sido expulsado (+) o retraído (-), sin
considerar el tiempo en que ha sido ejecutada una acción.
Para representar la ejecución de cada elemento se utiliza una banda horizontal. El
borde inferior de la banda indica que vástago del cilindro se encuentra retraído y el
borde superior muestra la expulsión del vástago. A continuación en la Figura 39
se muestra un ejemplo de la representación de dos cilindros A y B.
En ordenadas se representan las posiciones del cilindro y en abscisas las
diferentes fases en que se descompone el ciclo tal como se muestra en el ejemplo
de la Figura 39.
Figura 39. Diagrama espacio - fase [12].

En la figura anterior (Figura 39), se puede observar que en ambos cilindros su
vástago se encuentra retraído y a su vez que en la primer fase el actuador en
expulsar su vástago es el Cilindro Mordaza B y mantiene esta posición en las
fases dos y tres, mientras el Cilindro Taladros A extiende su vástago en la fase
dos y lo retrae en la fase tres. Por último en la fase cuatro se retrae el vástago del
Cilindro Mordaza B.
Para un mejor entendimiento del uso de GRAFCET y diagramas espacio – fase se
presenta un ejemplo de una secuencia sencilla de dos actuadores como el que se
observa en la Figura 40, esta consiste en que al expulsarse el vástago del
actuador A (A+), enseguida se expulsa el vástago del actuador B (B+), una vez
expulsado el vástago del actuador B se retrae el vástago del actuador A (A-) y por
último se retrae el vástago del actuador (B-).
Figura 40. Diagrama neumático de secuencia de dos actuadores.

Al tener establecida la secuencia, se procede a realizar el diagrama espacio – fase
como se muestra en la Figura 41, donde las etapas corresponden a los
movimientos o estados en los que se encuentra el actuador por ejemplo se puede
observar que en la etapa uno se activa el actuador A (A+) en la segunda etapa
este se mantiene y a la vez en esta etapa se activa el actuador B (B+) en la tercer
etapa se desactiva el actuador A (A-) y por último se desactiva el actuador B (B-).
Figura 41. Diagrama espacio – fase de secuencia de dos actuadores.
De igual forma en la imagen anterior se pueden observar unas etiquetas
nombradas (A0, A1, B0 y B1) estas corresponden al inicio o final de carrera de
cada uno de los actuadores.
Para realizar el GRAFCET es necesario conocer el estado de los finales de
carrear ya que estos en GRAFCET representan las condiciones que se deben
cumplir para que se lleve a cabo la acción asociada.
En la Figura 42 se puede observar el GRAFCET que con base en lo planteado en
el diagrama espacio - fase, este consta de cuatro etapas se observa que para la
etapa 1, la condición para que esta pueda comenzar es B0 una vez que se ha
cumplido esta condición se ejecuta la acción asociada (A+), esta lógica es para la
siguientes etapas, se puede observar que la etapa cuatro regresa a la primer
etapa esto para que las acciones asociadas se cumplan de forma cíclica siempre y
cuando las condiciones del proceso se cumplan.

Figura 42. Diagrama GRAFCET de secuencia de dos actuadores.

CAPÍTULO II
BASES DE OPERACIÓN Y FUNCIONAMIENTO PARA LA
PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA AUTOMATIZADO
En este capítulo se describen las secciones de
embotellado, tapado y empacado para conocer la parte
operativa de las máquinas, además de los requisitos
solicitados para el desarrollo de la programación.

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