Tesis Documento

1
Trabajo de Diploma
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría
ISPJAE
Facultad de ingeniería Eléctrica. Departamento de
Automática y Computación
Autores
Mauricio Villaescusa Cantillo
Andreis Alfonso Cordoví
Tutores
Dra. Ing. Gilda M. Vega Cruz
Msc. Ing. Eugenio César S.
Título: Diseño de prácticas
de laboratorio en la maqueta
de simulación industrial
Ciudad de La Habana, junio 2009

Declaración de autoridad
Por este medio damos a conocer que somos los únicos autores de este trabajo y
autorizamos al Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría a que hagan
del mismo el uso que estimen pertinente.
Autores:
_______________________ ____________________
Mauricio Villaescusa Cantillo Andreis Alfonso Cordoví
Tutores:
___________________________ ______________________________
Tutor Dr. Gilda María Vega Cruz Tutor Msc. Eugenio César Sánchez

Agradecimientos
A todas aquellas personas que han contribuido de una manera
u otra a la realización de este trabajo, especialmente:
A nuestros tutores por su especial atención.
A los profesores del departamento por su ayuda incondicional.
Mauricio Villaescusa Cantillo
A mi hermana, por inspirarme a seguir.
A mi novia, por sus cariños tan necesarios.
A mis compañeros, por su valiosa colaboración.
A mis padres, por brindarme su apoyo en todo momento.
Andreis Alfonso Cordoví
A mi esposa, por su amor y dedicación.
A mis padres, por estar siempre presentes.
A mi hermano, que me alegró en todo momento.
A mis suegros, por apoyarme como si fuera un hijo.
A Emilio, por dedicarnos su valioso tiempo.
A todos mis compañeros, que siempre me animaron.

"Aquella teoría que no encuentre
aplicación práctica en la vida es
una acrobacia del pensamiento"
Leonardo da Vinci

Resumen
En este trabajo se realiza el diseño de Prácticas de Laboratorio correspondientes
a las disciplinas de Instrumentación y Control de la carrera de Ingeniería
Automática; potenciando el favorecimiento de un aprendizaje mucho más activo y
abriendo nuevas expectativas a la formación del profesional.
Para el soporte técnico de las mismas, se ha utilizado una maqueta de simulación
industrial donada al ISPJAE por Miesa. La plataforma de los laboratorios está
sustentada por el trabajo con instrumentos inteligentes, protocolo PROFIBUS,
programación de un WinAC Slot PLC 416 e implementación de una aplicación
SCADA; elementos que se desarrollaron empleando el paquete SIMATIC PCS 7.
En el diseño de las prácticas también se han aplicado los conocimientos y
habilidades de la Didáctica Universitaria adquiridos en la carrera.

Abstract
This work is about design of laboratory practice for the disciplines of
Instrumentation and Control in Automation Engineering, looking for an active
learning and open new expectations for professional training.
To support them, were used an industrial simulation equipment donated to ISPJAE
by Miesa. The laboratories platform is supported by work with intelligent sensors,
PROFIBUS protocol, programming a WinAC Slot PLC 416 and implementation of a
SCADA application, these were developed using the package SIMATIC PCS 7. In
the design also has been applied the knowing and skills of University Didactic
acquired in the career.

Índice
Introducción..................................................................... ¡Error! Marcador no definido.1
Capítulo I. Los laboratorios de Automática en el Proceso de Enseñanza-Aprendizaje.
…………………………………………………………………………………………..…..1
1.1. Introducción ................................................................................................................ 2
1.2.Prácticas Docentes...................................................................................................... 3
1.2.1. Proceso Enseñanza-Aprendizaje ......................................................................... 3
1.2.2. Práctica y Teoría.................................................................................................. 3
1.2.3. Práctica educativa, concepto................................................................................ 4
1.2.4. Necesidad de la práctica docente......................................................................... 4
1.2.5. Metodología ......................................................................................................... 5
1.2.5.1. Aspectos para el diseño de las prácticas de laboratorio ................................ 5
1.2.5.2. Organización de las prácticas........................................................................ 6
1.3. Estado del Arte ........................................................................................................... 7
1.3.1. Los Equipos Didácticos para la enseñanza y entrenamiento técnico en
Automatización: Una visión mundial............................................................................... 7
1.3.1.1. Montajes industriales para capacitación ........................................................ 7
1.3.1.2. Equipos didácticos industriales para capacitación ......................................... 8
1.3.2. Los laboratorios técnicos de Automática y control en el mundo ........................... 9
1.3.2.1. Laboratorio de Automática de la Universidad de León en España.............. 10
1.3.2.2. Laboratorio de Automática de AIP-PRIMECA RAO .................................... 12
1.3.2.3. Laboratorio de Automática en Telemark University College, Noruega ......... 14
1.3.3. Análisis del estado del Arte ................................................................................ 16
Capítulo II. Descripción de la maqueta y definición de los laboratorios.................... 17
2.1. Introducción .............................................................................................................. 18
2.2. Módulo de equipos e instrumentos............................................................................ 19
2.2.1. Elementos físicos............................................................................................... 19
2.2.2. Conexión de los elementos ............................................................................... 21
2.3. Módulo de Procesamiento........................................................................................ 23
2.3.1. Elementos físicos............................................................................................... 23
2.3.1.1. Cámara Superior......................................................................................... 23
2.4. Software de aplicación.............................................................................................. 24
2.4.1. SIMATIC PCS 7 ................................................................................................. 24
2.4.1.1. Administrador SIMATIC............................................................................... 25
2.4.1.2. Ventajas ...................................................................................................... 25
...........................................................

2.5. Arquitectura de la red Industrial ................................................................................ 25
2.5.1. Buses de campo ................................................................................................ 25
2.5.1.1. Concepto de BUS........................................................................................ 26
2.5.1.2. Ventajas de un bus de campo ..................................................................... 26
2.5.1.3. Desventajas de un bus de campo................................................................ 27
2.5.2. PROFIBUS......................................................................................................... 27
2.5.2.1. Generalidades del PROFIBUS .................................................................... 27
2.5.2.2. Familia PROFIBUS...................................................................................... 28
2.5.2.3. Datos técnicos del PROFIBUS .................................................................... 28
2.5.2.4. Algunas ventajas de PROFIBUS ................................................................. 28
2.5.3. Topologías de red .............................................................................................. 29
2.5.4. Detalles de la red implementada en la maqueta................................................. 30
2.5.4.1. Distribuidor activo de campo (AFD)............................................................. 30
2.5.4.2. Topología física en anillo............................................................................. 31
2.5.4.3. Ventajas especiales de la arquitectura en anillo .......................................... 31
2.5.4.4. Cableado PROFIBUS utilizado................................................................... 32
2.5.4.5. Conector PROFIBUS utilizado................................................................... 32
2.5.4.6. Elementos físicos conectados a PROFIBUS DP ......................................... 32
2.5.4.7. Elementos físicos conectados a PROFIBUS PA.......................................... 32
2.5.4.8. Elementos físicos conectados a la ET200M ................................................ 33
2.6. Definición de los Laboratorios................................................................................... 33
Capítulo III. Parametrización de la red y programación de los laboratorios.............. 35
3.1. Introducción .............................................................................................................. 36
3.1.1. Direccionamiento de las ET 200M...................................................................... 37
3.1.2. Generalidades de STEP 7.................................................................................. 37
3.2. Parametrización de la red ......................................................................................... 39
3.2.1. Identificación de los dispositivos......................................................................... 39
3.2.2. Configuración por programa de la red ................................................................ 39
3.2.2.1. Creación del proyecto.................................................................................. 39
3.2.2.2. Conexión de los dispositivos al bus DP ....................................................... 41
3.2.2.3. Conexión de los dispositivos al bus PA ....................................................... 43
3.2.2.4. Comunicación de la PC con el PLC............................................................. 45
3.2.3. Direccionamiento físico de los dispositivos......................................................... 46
3.2.3.1. Configuración del DP/PA Link con acopladores DP/PA ............................... 46
3.2.3.2. Configuración de la ET 200M con módulos de entrada/salida ..................... 47
3.3. Programación de los laboratorios.............................................................................. 47

3.3.1. Laboratorios a programar................................................................................... 47
3.3.2. Estructura de programación ............................................................................... 48
3.3.2.1. Programación del laboratorio para trabajo con la válvula de control ............ 48
3.3.2.2. Programación del laboratorio para trabajo con lenguaje de contactos......... 48
3.3.2.3. Programación del laboratorio de control ON-OFF de nivel........................... 49
3.3.2.4. Programación del laboratorio de montaje de un canal de medición de
temperatura.............................................................................................................. 49
3.3.2.5. Programación del laboratorio de control PID con proceso simulado ............ 49
3.3.2.6. Programación del laboratorio de control PID de nivel .................................. 50
3.3.3. Gestión de laboratorios ...................................................................................... 50
3.3.4. Tratamiento de condiciones anormales.............................................................. 51
3.3.5. Estructura general del programa ........................................................................ 51
Capítulo IV. Aplicación SCADA y propuesta de comunicación OPC ......................... 53
4.1. Introducción .............................................................................................................. 54
4.1.1. Generalidades de WinCC................................................................................... 54
4.1.2. Generalidades de OPC ...................................................................................... 55
4.2. Aplicación SCADA .................................................................................................... 56
4.2.1. Navegación en la aplicación SCADA para laboratorios de Automática............... 57
4.2.2. Botones de control ............................................................................................. 58
4.2.3. Contador del tiempo de laboratorio .................................................................... 59
4.2.4. Descripción de la pantalla principal (“inicio.Pdl”) ................................................ 59
4.2.5. Descripción de la pantalla general (“General.Pdl”) ............................................. 60
4.2.6. Descripción de las pantallas de históricos generales.......................................... 60
4.2.7. Funcionamiento de la pantalla de descripción (“Descripción.Pdl”)...................... 61
4.2.8. Tratamiento de las alarmas y descripción de la pantalla dedicada a las mismas
(“Alarmas.Pdl”)............................................................................................................. 62
4.2.9. Páginas asociadas a las prácticas de laboratorio ............................................... 63
4.2.9.1. Descripción de la pantalla de control de nivel (“CtrolNivel.Pdl”)................... 64
4.2.9.2. Descripción de la pantalla de la válvula de control (“MTA_valvula.Pdl”) ...... 65
4.2.9.3. Descripción de la pantalla de control de flujo (“ControlP_flujo.Pdl”)
(Propuesto) .............................................................................................................. 66
4.2.9.4. Descripción de la pantalla de control ON-OFF de nivel(“on-off.Pdl”)............ 68
4.2.9.5. Descripción de la pantalla del laboratorio de control PID simulado
(“Pid_Simu.pdl‟‟)....................................................................................................... 69
4.2.9.6. Descripción de la pantalla del laboratorio de Canal de medición
(“Canal_Med.pdl‟‟).................................................................................................... 70
4.2.9.7. Descripción de la pantalla del laboratorio de lenguaje de contactos
(“MTA_KOP.pdl‟‟) ..................................................................................................... 71

4.2.9.8. Descripción de la pantalla del laboratorio de aplicación SCADA
(“Lab_SCADA.pdl‟‟).................................................................................................. 72
4.3. Propuesta de comunicación OPC ............................................................................. 73
4.3.1. Conceptos fundamentales para la realización de un proyecto............................ 73
4.3.2. Servidor y clientes OPC ..................................................................................... 74
4.3.3. Configuración del servidor y el cliente OPC de WinCC ...................................... 75
Capítulo V. Análisis económico.................................................................................... 76
5.1. Introducción .............................................................................................................. 77
5.1.1. Conceptos generales ......................................................................................... 77
5.2. Cálculo del costo del proyecto .................................................................................. 78
5.2.1. Beneficios .......................................................................................................... 80
Conclusiones ................................................................................................................. 82
Recomendaciones ......................................................................................................... 83
Bibliografía..................................................................................................................... 84
Anexos............................................................................................................................ 89

I
Introducción
En los últimos años ha existido una evolución constante en el uso y manejo de las
herramientas docentes, siendo esto consecuencia directa de los cambios y
transformaciones que sufren las tecnologías utilizadas en la educación. Por lo
tanto, se ha recurrido al desarrollo y aplicación de métodos docentes
implementados sobre recursos tecnológicos.
En especialidades de carácter técnico, como la Ingeniería Automática, aparecen
situaciones en las que los contenidos que deben ser asimilados por los alumnos
exigen un mayor grado de laboriosidad, y a su vez presentan una tendencia cada
vez más creciente a la complejidad (esquemas, circuitos, sistemas, etc.), por lo
que se hace necesaria la utilización de métodos prácticos más eficientes en el
proceso enseñanza aprendizaje.
Hasta hace poco tiempo se realizaban los planteamientos docentes empleando
solo métodos tradicionales como la pizarra, actualmente se ha pasado a la
exposición mediante transparencias proyectadas, caracterizadas en sí por poca
calidad y falta de dinamismo e interrelación. Con la evolución de la informática, el
software y los sistemas de multimedia, se ha podido dotar a las clases de mayor
nivel y un mayor alcance en los contenidos, introduciendo imágenes, gráficos,
colores, animaciones, etc. Por otra parte, la multimedia ha favorecido la
integración de textos y gráficos con audio y video, que fomentan la participación
activa y el aprendizaje por parte del estudiante en disciplinas con cierta
complejidad, con resultados visuales mucho más atractivos para él.
Como etapa superior se encuentran los equipos didácticos a escala reducida que
dan una aproximación de la realidad; o bien se desarrollan maquetas específicas
con equipamientos y características industriales idénticas a los que se encontrarán
los estudiantes en el mundo laboral; esto se debe a que en la mayoría de las
ocasiones no se dispone de los espacios adecuados o en algunos casos
simplemente no se dispone de los equipos.

Introducción
II
Sin duda, la utilización de equipos didácticos en el proceso de enseñanza
aprendizaje, es una alternativa prometedora en relación con las herramientas
antes mencionadas, basadas en paquetes comerciales de software que no
facilitan al estudiante una visión directa, dinámica, e interrelacionada con los
conceptos de la automática, y mucho menos de las tecnologías asociadas al
control, y de estas con los conceptos teóricos.
Este proyecto presenta el estudio y diseño de las prácticas de laboratorio para las
asignaturas relacionadas con el control y la instrumentación de la especialidad de
Automática. Su implementación representa una necesidad, ya que actualmente las
instalaciones de la disciplina están desprovistas de maquetas industriales
tecnológicamente actualizadas y pedagógicamente fundamentadas, que sirvan de
complemento a los conocimientos adquiridos por los alumnos. El desarrollo de
estas aplicaciones se realizará sobre la maqueta industrial donada al Instituto por
Miesa1
en el año 2007, conformada por:
Equipos electromecánicos.
Instrumentos de medición y elementos de acción final.
PC industrial con módulo de PLC incorporado.
Situación Problémica
Como parte de este trabajo se realizó una encuesta a una muestra al azar de 51
estudiantes de la especialidad de Automática que cursan los años cuarto y quinto.
Preguntas para los estudiantes de cuarto año:
1. ¿Has interactuado con un instrumento inteligente?
2. ¿Has trabajado con un PLC real?
Resultados de la encuesta:
No. Encuestados
Pregunta 1 Pregunta 2
Sí No Sí No
30 4 26 1 29
Tabla No. 1. Resultados de la encuesta aplicada a estudiantes de cuarto año.
1
El GRUPO MIESA es una empresa compuesta por MIESA INGENIERIA, S.L., MIESA MONTAJE, S.L. y MIESA
MANTENIMIENTO, S.L., dedicada a la Ingeniería, Montaje, Puesta en Marcha y Mantenimiento en los campos de la
Instrumentación y Electricidad. La creación de “MIESA” se realizó en el año 1983 en España, desarrollando los servicios de
puesta en marcha, averías y mantenimiento en las áreas de instrumentación y electricidad.

Introducción
III
La pregunta No 1 arrojó que solo el 13.33% de los estudiantes ha
interactuado con un instrumento inteligente.
De la pregunta No 2 se encontró que solo el 3.33% de los estudiantes ha
trabajado con un PLC real.
Preguntas para los estudiantes de quinto año:
1. ¿Has interactuado con un instrumento inteligente?
2. ¿Has trabajado con un PLC real?
3. ¿Has comunicado una aplicación SCADA con variables de un proceso real?
4. ¿Has configurado elementos en una red industrial real, empleando
cualquier tipo de protocolo de comunicación?
Resultados de la encuesta:
No. Encuestados
Pregunta 1 Pregunta 2 Pregunta 3 Pregunta 4
Sí No Sí No Sí No Sí No
21 3 18 7 14 6 15 3 18
Tabla No. 2. Resultados de la encuesta aplicada a estudiantes de quinto año.
La pregunta No 1 arrojó que solo el 14.28% de los estudiantes ha
interactuado con un instrumento inteligente.
De la pregunta No 2 se observa que solo el 33.33% de los estudiantes ha
trabajado con un PLC real.
Según la pregunta No 3 solo el 28.6% de los estudiantes ha comunicado
una aplicación SCADA con variables de proceso.
A la pregunta No 4 solo respondieron afirmativamente el 14.28% de los
estudiantes.
Como resultado del análisis anterior se infiere la siguiente situación problémica.
Los estudiantes de ingeniería en Automática no interactúan activamente con
procesos y dispositivos reales, influyendo esto negativamente en el desarrollo de
las habilidades prácticas necesarias en su desempeño como futuro profesional.

Introducción
IV
De esta situación se deriva el problema de la investigación.
¿Qué elementos y métodos deben considerarse en el diseño de las prácticas de
laboratorio para lograr una interacción activa con procesos y dispositivos reales?
¿Qué aplicaciones desarrollar con este fin?
Objetivos Generales del proyecto
Con este trabajo se pretende sentar las bases para introducir la maqueta de
simulación industrial como una herramienta en el desarrollo del proceso docente
educativo y de investigación, en las prácticas de laboratorios de las Disciplinas de
Instrumentación y Control. Para ello se definen las siguientes tareas:
La configuración de la red industrial utilizando todos los elementos que se
encuentran disponibles en la misma.
Realizar la programación de sus protecciones, las aplicaciones de las
prácticas de Instrumentación y Control, así como la gestión de las mismas.
Realización de una aplicación SCADA que sirva de plataforma para el
desarrollo de las prácticas de laboratorio.
Objetivos específicos
Andreis Alfonso Cordoví. Diseñar las siguientes prácticas de laboratorio:
Control On-Off de nivel (MTA).
Control PID con proceso simulado (MTA).
Control de nivel en un tanque (Control de Procesos l).
Identificación no paramétrica de un proceso de nivel (Modelado y Simul.).
Canal de medición de temperatura (Sistemas de Medición).
Mauricio Villaescusa Cantillo. Diseñar las siguientes prácticas de laboratorio:
Configuración de una red PROFIBUS (Sistemas Automatizados).
Trabajo con SCADA (Sistemas Automatizados).
Parametrización de sensores (Mediciones).
Característica efectiva de las válvulas de control (MTA).
Trabajo con lenguaje de contactos (MTA).

Introducción
V
Hipótesis
Si se diseñan y elaboran prácticas de laboratorio en una maqueta de simulación
industrial, los estudiantes de la especialidad de Automática podrán desarrollar
habilidades de trabajo de carácter experimental con la misma y consolidar los
conocimientos adquiridos en el aula.
Tareas
Teniendo en cuenta los objetivos planteados se definen las siguientes tareas.
Relacionadas con la Maqueta de Simulación Industrial
Estudio general de:
1. Instrumentos de medición.
2. Elementos de acción final.
3. Equipos electromecánicos.
4. PC industrial y PLC con módulos asociados.
5. Conexionado de la red hidráulica.
6. Conexionado de los elementos (red industrial).
7. Estudio del trabajo con WinCC, OPC, Step7 y PCS7.
Desarrollo de aplicaciones de laboratorio.
Relacionadas con las Prácticas de Laboratorio
Definición del basamento teórico.
Definición de las tareas a desarrollar por los estudiantes.
Realización de la documentación correspondiente (incluye guía para el
estudiante y documentación para el profesor).
Resultados esperados
Con este proyecto se pretende preparar la maqueta de simulación industrial, así
como prácticas de laboratorio para el desarrollo satisfactorio de las actividades
docentes de las disciplinas de Instrumentación y Control del Departamento de
Automática y Computación.
El trabajo de diploma está dividido en cinco capítulos:
Capítulo 1: Se analiza la importancia de los laboratorios reales en el proceso se
enseñanza aprendizaje de las carreras de ingeniería. Se expone además el estado
actual de los laboratorios de Automática en otras universidades del mundo.

Introducción
VI
Capítulo 2: Se realiza una descripción de la maqueta de simulación industrial, del
conexionado y los elementos de red.
Capítulo 3: Se presentan los elementos para la configuración de la red
implementada, la programación del PLC con las aplicaciones de los laboratorios, y
las protecciones de la maqueta industrial.
Capítulo 4: Se presentan elementos de la aplicación SCADA desarrolla y la
propuesta de comunicación OPC.
Capítulo 5: Se realiza el análisis de costo-beneficio del proyecto.
Finalmente se presentan las Conclusiones, Recomendaciones y Anexos del
trabajo.
Glosario
Maqueta
Es la reproducción, a tamaño reducido, de un monumento, edificio, complejo
industrial, parque, objeto y, en general, de cualquier cosa física. Normalmente se
utiliza la madera y el plástico, aunque también pueden utilizarse metales
moldeables, barro, arcilla o plastilina.
CPU
Unidad Central de Procesamiento de un controlador programable S7, con
memoria, sistema operativo, e interface para la programación de dispositivos.
PLC (Programmable Logic Controller)
Son controladores electrónicos cuya función se almacena como un programa en la
unidad de control. Tiene la estructura de una PC, que consiste en una CPU con
memoria, módulos de entrada/salida y un bus interno del sistema. El lenguaje de
programación está orientado a necesidades de control.
Programador de dispositivos (PGs)
Son en esencia PCs compactas, portables y diseñadas para aplicación industrial.
Estas se encuentran equipadas con un hardware y software para controladores
programables SIMATIC.

Introducción
VII
Bus de campo o Fieldbus
Es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad que está creado para
remplazar la clásica señal de 4-20 mA que aún se utiliza en muchos de los
sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC (Controladores Lógicos
Programables), instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control.
PROFIBUS
PROcess FIeld BUS, es una norma alemana para buses de campo definida en el
estándar (EN 50170), Define las propiedades funcionales, eléctricas y mecánicas
de un bus serie. Está disponible con los protocolos DP (Distributed Periphery),
FMS (field bus message specification) o TF (technology functions).
PROFIBUS-DP
Este es el sistema de bus PROFIBUS con el protocolo DPv0-v2. Las ET 200 para
salidas y entradas distribuidas se basan en la norma EN50 170, Volumen 2,
estándar PROFIBUS.
PROFIBUS-PA
Este es el sistema de bus PROFIBUS con el protocolo DPv1, basado en la norma
EN50 170. Fabricado especialmente para brindar alimentación a los dispositivos a
través del bus, y para aplicaciones que requieran seguridad intrínseca. PA
(Process Automation) - Automatización de Procesos.
DP/PA Link
Dispositivo que sirve para enlazar elementos de una red PA a DP. Posibilita que
los dispositivos de campo sean direccionados directamente por la CPU como
esclavos del bus PA; los DP/PA Link son transparentes y no necesitan
configuración alguna.
Dirección PROFIBUS
Cada nodo del bus debe recibir una dirección PROFIBUS única que lo identifica en
el bus. Las direcciones de los maestros y esclavos DP están entre 1 y 125.
Máster (Maestro)
Cuando están en posesión del token (testigo), los másteres pueden enviar y pedir
datos de otros nodos activos. La CPU 416-2 DP PCI es un ejemplo de máster DP.

Introducción
VIII
Slave (Esclavo)
Un esclavo puede intercambiar datos con el maestro cuando este se los solicita.
Las ET 200M son un ejemplo de esclavo DP.
Dispositivos de E/S distribuida
Son unidades de entrada/salida distribuidas a cierta distancia de la CPU y que no
se encuentra localizada en la unidad base, ejemplo:
ET 200M, ET 200B, ET 200C, ET 200U
Otros esclavos DP de Siemens u otros proveedores.
Los dispositivos de E/S distribuidas se conectan a un maestro DP vía PROFIBUS-
DP.
Adquisición de datos
Consiste en la recogida, tratamiento y almacenamiento de los datos.
Supervisión
En esta función el computador no efectúa directamente el control de proceso. Se
comunica directamente con los controladores del proceso (autómatas,
reguladores…) y este con los instrumentos de campo por medio de un sistema de
comunicación (comunicación analógica, digital o por una red industrial). La
principal función es la ayuda al operador. El computador suministra algunas
informaciones elaboradas como pueden ser alarmas, tratamiento de fallos y
procedimientos de rearme.
SCD
Sistemas de control distribuido. Consisten en un conjunto de unidades de control
que pueden tomar decisiones autónomas, intercomunicándose por medio de una
red.
Sistemas redundantes
Los sistemas redundantes están caracterizados por el hecho de duplicar los
componentes de automatización más importantes. Si un componente con
configuración redundante falla, no ocurre una interrupción en el procesamiento del
programa.
STEP 7
Herramienta de programación para el desarrollo de programas de usuario para
PLCs SIMATIC S7.

Introducción
IX
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)
Se trata de una aplicación especialmente diseñada para controlar, desde
computadoras, el proceso productivo. Permite comunicación con los dispositivos
de campo y controla el proceso de forma automática desde la pantalla de la
computadora.
WinCC (Windows Control Center)
Sistema SCADA desarrollado por SIEMENS (empresa multinacional de origen
alemán dedicada a las telecomunicaciones, el transporte, la iluminación, a través
de Osram, a la medicina, al financiamiento y a la energía, entre otras áreas de la
ingeniería)
PCS7
SIMATIC PCS 7 está integrado en Totally Integrated Automation (TIA) de
Siemens, una gama completa de productos, sistemas y soluciones coordinados
entre sí para la automatización personalizada en todos los sectores de las
industrias manufactureras, de procesos e híbridas.
WinAC (Windows Automation Center)
Es la solución para el control basado en PC sobre Windows®.
OPC (OLE for Process Control)
Corresponde a un conjunto de especificaciones basadas en los estándares de
Microsoft que cubren los requerimientos de comunicación industrial entre
aplicaciones y dispositivos. Permite a las aplicaciones leer y escribir valores de
proceso y que los datos sean compartidos fácilmente en una red de
computadoras.
PWM (Pulse Wide Modulation)
Modulación por Ancho de Pulso. Es la conversión a señales de frecuencia de
amplitud constante, de valores continuos.
LABVIEW
Software desarrollado por National Instruments orientado a programación visual.

1
Capítulo I. Los laboratorios de Automática en el
proceso docente.
CAPÍTULO
I
LOS LABORATORIOS DE AUTOMÁTICA
EN EL PROCESO DE ENSEÑANZA-
APRENDIZAJE

2
Los laboratorios de Automática en el proceso Enseñanza-Aprendizaje . Capítulo I
1.1 Introducción
En este capítulo se exponen los elementos fundamentales que producen la
relación entre equipos didácticos (como las maquetas industriales) y el proceso de
enseñanza aprendizaje; se muestra la forma en que la introducción de las
tecnologías en la educación ayudan al estudiante a conducir y formar su propio
aprendizaje, siendo a su vez una herramienta que facilita el trabajo del profesor.
Existe además un análisis de cómo el avance tecnológico y científico en el mundo,
y su relación con los equipos del sector industrial, influyen indiscutiblemente en las
instalaciones y equipamiento de las Instituciones Docentes.
Otro de los puntos que se aborda es el estado actual del uso de este tipo de
herramientas para el desarrollo de laboratorios en carreras de ingeniería; así como
las características, elementos y utilidad de las mismas.

3
1.2 Prácticas Docentes
1.2.1 Proceso Enseñanza-Aprendizaje
En la realización de las prácticas docentes no se puede pasar por alto el proceso
enseñanza-aprendizaje en el que se encuentran involucrados alumnos y
profesores; proceso de gran importancia, donde los individuos presentes se
interrelacionan en un ambiente de conocimientos impartidos y adquiridos, en él se
persigue el desarrollo e integración de lo cognitivo, lo afectivo, lo procedimental y
lo conductual. No es suficiente con entrenar alumnos sólo en estrategias
cognitivas y en la adquisición de destrezas procedimentales. Se debe trascender
del usual desarrollo de habilidades, a una concepción que integre la motivación, la
sensibilidad, los valores, las conductas y los modos de ser y hacer.
Dirigiendo los esfuerzos en estas direcciones se puede lograr en los alumnos la
disposición de continuar con su superación en su posterior vida profesional.
“Propiciará también la capacidad de plantear y resolver problemas, predecir
resultados y desarrollar el pensamiento crítico, la imaginación especial y el
pensamiento deductivo; introducirá al mundo social y al mundo natural
entendiendo éstos como procesos dinámicos y en evolución, y formará buenos
ciudadanos que vivan en la democracia y la cultura de la legalidad”. [1]
Resumiendo, se pueden utilizar las palabras de Fernando Cerón Olvera en
relación a la calidad del proceso de enseñanza-aprendizaje en su artículo: “La
práctica docente... Algo importante de abordar”:
“…digamos que habrá calidad en la educación cuando se logre formar algunas
capacidades generales de la inteligencia para pensar por cuenta propia, de modo
lógico, crítico e imaginativo; y se formen además los valores necesarios para la
vida democrática y ciudadana”. [2]
1.2.2 Práctica y Teoría
En las palabras de González Eduardo, M., en su artículo, ¿QUÉ HAY QUE
RENOVAR EN LOS TRABAJOS PRÁCTICOS?, se expone la estrecha relación
que se evidencia entre la teoría y la práctica en la resolución de prácticas de
laboratorio.

4
“No se trata solo de un aprendizaje de métodos o de una ilustración de la teoría, ni
se trata exclusivamente de aplicar esa teoría a la resolución de problemas. Se
trata de dar un significado en el aprendizaje al hecho de que la ciencia es una
actividad teórico-experimental”. [3]
1.2.3 Práctica educativa, concepto
El concepto de práctica educativa se considera de forma abierta, involucrando
desde simples lecciones de corta duración, cursos completos de un año, hasta los
tradicionales cursos a distancia basados en la entrega de contenidos, y la
realización de cuestionarios con aproximaciones centradas en la resolución de
problemas, o el desarrollo de proyectos. [4]
1.2.4 Necesidad de la práctica docente
En el desarrollo de la actividad docente diaria debe tenerse en cuenta, que con el
conocimiento teórico y simulaciones realizadas no se completa la formación de un
profesional en el campo de la ingeniería, pues es necesario que los estudiantes
manipulen componentes y equipos reales, dígase: sensores, transmisores y
autómatas, entre otros.
Desde el punto de vista de la pedagogía, la utilización de tecnologías industriales
en carreras técnicas supone una gran cantidad de posibilidades. Por esto, los
distintos aspectos del proceso enseñanza-aprendizaje de las ciencias (teniendo en
cuenta desde el manejo de conceptos hasta la evaluación, pasando por prácticas
de laboratorio y resolución de problemas) han ido en evolución constante según
las nuevas tecnologías. Prueba de ello es que durante los últimos años se ha
fomentado el desarrollo de numerosos prototipos con fines docentes, tales como:
simuladores, laboratorios virtuales y maquetas industriales.
La utilización de un equipo didáctico permite al estudiante, mediante las prácticas
de laboratorio, una consolidación de los contenidos recibidos en el aula. Con esto,
los alumnos adquieren un primer contacto con los sistemas industriales, pilar
básico en el desempeño satisfactorio de las demás asignaturas y como futuro
ingeniero en Automática.
Por otro lado, la integración teórico-práctica que se logra con el desarrollo de una
práctica de laboratorio, permite a los estudiantes constatar con resultados

5
prácticos, los conceptos teóricos adquiridos y el desarrollo de habilidades de
carácter experimental logrando la conformación como un todo necesario de la
enseñanza universitaria con la realidad del mundo profesional e industrial. Así se
fomenta el desarrollo de habilidades a través de valoraciones e informes de los
resultados obtenidos en relación con la teoría.
A modo de resumen se emplean las palabras de González Eduardo, M. en su
artículo ¿QUÉ HAY QUE RENOVAR EN LOS TRABAJOS PRÁCTICOS? respecto
a las prácticas docentes:
“Se trata, sin duda, de la orientación más ardua y compleja, pero también de la
más prometedora. Es también una posibilidad para que los esfuerzos innovadores
de los docentes y las expectativas de los estudiantes no terminen en nuevas
frustraciones”. [3]
1.2.5 Metodología
Es de marcada importancia, que la metodología que se utilice en el diseño de las
prácticas de laboratorio, aseguren en el alumno la asimilación de los conceptos
aprendidos por medio de la experimentación con equipos reales, de modo que se
exija el estudio y la aplicación de los conocimientos, asegurando el desarrollo de
habilidades.
En general, la investigación desarrollada a favor de mejorar el rendimiento o la
eficacia de la docencia, suele basarse en estos aspectos:
1.2.5.1 Aspectos para el diseño de las prácticas de laboratorio
Organización y planificación: Preparar el trabajo docente y presentarlo a los
alumnos del modo más conveniente para su asimilación.
Medios de expresión y comunicación: Dotar a la materia de un medio
atractivo de presentación.
Fomento de la interacción profesor-alumno: Fomentar la comunicación
bidireccional entre el profesor y el alumno, de forma que el primero obtenga
datos importantes para el seguimiento de la docencia, y el segundo una
atención más personalizada a sus necesidades.
Enfoques dirigidos a algún contenido de la materia: Enfocar contenidos
adaptados concretos a una situación determinada.

6
Motivación al alumno: Conseguir un mayor esfuerzo por parte del alumno
basado en la idea de sustituir obligación por afición.
Limitación de tiempo: Asegurar que el tiempo destinado a las prácticas sea
suficiente para la culminación exitosa de las mismas.
Coordinación: Asegurar la coordinación que requiere la parte teórica con la
práctica. No se deben exigir en el laboratorio conceptos no explicados en
teoría, ni se debe dejar pasar mucho tiempo entre lo enseñado en teoría y
su puesta en práctica.
Evolución de la complejidad: Las prácticas deben ir aumentando
gradualmente, evitando grandes saltos teóricos entre una práctica y la
siguiente. [5]
1.2.5.2 Organización de las prácticas
Los estudiantes deben acudir a la práctica de laboratorio debidamente preparados.
Esto significa haber estudiado la teoría correspondiente en el texto de la
asignatura, y las indicaciones particulares para la práctica que corresponda. La
práctica será realizada en grupos cuyo tamaño se indicará para cada una según
las diferentes tareas necesarias para su ejecución.
Al comienzo de la práctica se darán las orientaciones pertinentes, se debatirán las
hipótesis y los experimentos que realizará cada subgrupo, se distribuirán las
tareas a desarrollar entre los estudiantes y se demostrará, si fuese necesario, el
uso de los equipos e instrumentos que serán utilizados, aunque esto último deberá
verse antes de la práctica. Si el docente lo considera necesario se realizarán por
escrito preguntas iniciales, o mediante el debate de las propuestas de los
experimentos que realizará cada colectivo, se podrá evaluar su preparación y
estudio independiente.
Durante la realización de la práctica por los estudiantes, el docente controla que
las orientaciones se cumplan adecuadamente y los estudiantes deben atender sus
indicaciones, así como mantener una estricta disciplina, con el mayor cuidado en
el uso de la base material.
El docente estará presente durante la realización de las mismas para aclarar
cualquier duda que se presente, y orientar de forma correcta el desarrollo de la

7
misma. Es bueno aclarar que la máxima responsabilidad de la realización de la
práctica corresponde al grupo de estudiantes.
Al final de la práctica los estudiantes intercambiarán la información recopilada por
cada uno de ellos, con lo cual confeccionarán de forma individual o colectiva,
según sea el caso, el informe que se solicita, que se deberá entregar en el propio
laboratorio o en la fecha que establezca el docente.
En la evaluación de la práctica de laboratorio se tendrá en cuenta la preparación
previa del estudiante, la calidad en la realización de los experimentos y la del
informe final. (Anexo 1)
1.3 Estado del Arte
1.3.1 Los Equipos Didácticos para la enseñanza y
entrenamiento técnico en Automatización: Una visión mundial
En el mundo existen dos variantes bien definidas para el entrenamiento de
estudiantes de carreras de ingeniería, son ellas:
Montajes industriales para capacitación.
Equipos didácticos industriales para capacitación.
A continuación se exponen las características fundamentales de cada uno de
estos elementos.
1.3.1.1 Montajes industriales para capacitación
En la actualidad los montajes industriales son un medio físico, mediante el cual se
entrena a los alumnos para el desarrollo de habilidades. Pero son muchas las
ocasiones en que este entrenamiento se realiza con estos equipos montados
temporalmente, de forma insegura y de difícil operación.
Los montajes industriales para capacitación, una vez instalados, presentan
diversas desventajas, entre ellas: [6]
Pueden presentarse riesgos para el equipo y/o el alumno al no contar con
las medidas mínimas de seguridad.
Pérdida de tiempo en la realización de prácticas en la instalación provisional
de los equipos y su acondicionamiento, por ejemplo: cableado, sujeción de
elementos, etc.

8
Nulas o pocas posibilidades de simulación de eventos industriales reales.
Genera poco interés en los alumnos para la realización de prácticas.
Los montajes industriales para capacitación poseen una vida útil corta
debido a que no son diseñados para la enseñanza.
1.3.1.2 Equipos didácticos industriales para capacitación
Hoy pueden encontrarse empresas dedicadas al diseño y fabricación de equipos
didácticos industriales para el entrenamiento y la capacitación de estudiantes o
personal técnico. Es tal el alcance y la versatilidad de estos equipos diseñados
con fines docentes, que son capaces de simular procesos industriales y sus fallas
más comunes, cuentan con un diseño atractivo, una programación de prácticas ya
establecidas y con objetivos claros ya predefinidos. Todo esto permite una mayor
productividad en el proceso de enseñanza y enriquece la formación de los
estudiantes.
Entre los principales fabricantes están:
Energy Conceps INC.
Edutelsa.
LaVolt.
Todos estos ofrecen equipamiento para talleres y laboratorios de organismos que
desempeñan actividades docentes de niveles medio y superior, aportando
diferentes tipos de innovaciones y con servicios debidamente actualizados; se
dedican a la fabricación, comercialización, instalación y servicio de equipos y
programas didácticos para la capacitación del trabajo industrial. [6]
Las ventajas que pueden ofrecer son:
Capacitación amena y rápida.
Mayor seguridad.
Practicas Planeadas.
Soporte técnico definido.
Entre sus desventajas pueden mencionarse las siguientes:
Costo inicial muy alto.
Necesidad de un instructor capacitado.
Dependencia de una empresa.

9
1.3.2 Los laboratorios técnicos de Automática y Control en
el mundo
Durante los últimos años en instituciones docentes de nivel superior se ha venido
trabajando e investigando la posibilidad de desarrollar nuevas estrategias
docentes en el ámbito de la Automática, ya que, en general, los estudiantes se
decepcionan al no poder aplicar sus conocimientos teóricos en la práctica. Esta
situación viene dada por el abuso en el marco teórico de la simplificación de los
problemas, haciéndose imperante la necesidad de proporcionar una visión
tecnológica de los mismos al estudiante.
Los resultados han aparecido, pues hoy son muchas las universidades del mundo
que cuentan con laboratorios de Automática debidamente diseñados y equipados,
siguiendo los últimos adelantos tecnológicos que se han sucedido en la
automatización de procesos. Esto permite elevar significativamente el nivel de
preparación de sus estudiantes, pues pueden enfrentarse a situaciones prácticas
con más frecuencia; incluso ya es una realidad objetiva la posibilidad de tener
acceso remoto desde Internet a estas instalaciones, gracias al desarrollo de las
redes de computadoras.
Son diversas las aplicaciones que pueden encontrarse, así como el grado de
complejidad de las mismas, todo depende del objetivo para el cual ha sido
preparado el laboratorio y del nivel de actualización o disponibilidad que exista en
los equipos didácticos de la institución. Entre ellas pueden mencionarse
aplicaciones para control de nivel, velocidad de motores, presión, etc., y existen
integrados elementos como:
Buses de campo.
Aplicaciones SCADA para la supervisión y monitorización.
Instrumentos de medición y otros dispositivos inteligentes.
Modernos Protocolos de Comunicación para la industria como PROFIBUS,
Modbus, etc.
Acceso remoto a estos laboratorios desde Internet.

10
1.3.2.1 Laboratorio de Automática de la Universidad de León en España
Este laboratorio está compuesto por diferentes módulos; en ellos se encuentran
representados de forma didáctica, distintos procesos o situaciones que pueden
ser encontrados por los estudiantes en la industria. Cada práctica se encuentra
implementada sobre maquetas didácticas, integradas por instrumentos y
dispositivos industriales. Se dispone además de la posibilidad de tener acceso
remoto al laboratorio desde locales debidamente habilitados con este propósito;
así los estudiantes tienen la posibilidad de acceder a la instalación en cualquier
momento. [7]
A continuación se ofrecen algunos detalles.
a-) Accionamientos de frecuencia variable
Este laboratorio pone a disposición del estudiante una aplicación que permite
trabajar directamente con accionamientos basados en convertidores de PWM.
Estos equipos didácticos están constituidos por un variador de frecuencia
MICROMASTER, un motor de baja potencia con sistema de frenado mecánico y
un encoder incremental de 1024 pulsos en el eje que permite cerrar lazos de
control. [7]
Figura No. 1.1. Maqueta para accionamientos de frecuencia variable.
b-) Maquetas industriales para control de procesos
Esta aplicación está diseñada con equipos específicos que dan una visión más
real de los procesos industriales, ya que a través de la instrumentación que
incorpora pueden manejarse señales eléctricas, dando lugar a lo que se denomina
Maqueta Industrial.

11
El laboratorio consta de dos alternativas:
Variante que permite implementar procesos industriales manejando cuatro
variables, son ellas: temperatura, nivel, presión y flujo.
Variante que permite desarrollar estrategias de control avanzado sobre la
variable nivel.
Todos los instrumentos y accionamientos de esta maqueta son industriales, y
configurables a través del protocolo de comunicación industrial HART; es posible,
además, controlar las señales eléctricas mediante SCD, PLCs o una tarjeta de
adquisición de datos con una PC.
Figura No. 1.2. Maqueta industrial para control de procesos.
c-) Planta piloto Industrial
Esta maqueta permite realizar prácticas sobre un reactor de 50 litros. En ella se
pueden desarrollar estrategias de control avanzado, supervisión de procesos y
diagnóstico de fallos, trabajando sobre variables como: presión, nivel, PH,
temperatura y conductividad. La maqueta cuenta con un circuito de proceso que
tiene recirculación mediante una bomba con accionamiento de frecuencia variable.
Figura No. 1.3. Planta piloto industrial.

12
d-) Características estructurales del laboratorio en general
El nivel de control del laboratorio está conformado por una red Ethernet industrial y
PLCs; el enlace a nivel de campo con los variadores de velocidad se realiza
mediante PROFIBUS DP, estos variadores se encuentran como esclavos de la red
PROFIBUS. El nivel de planta lo componen PCs conectadas a una red Ethernet
que supervisan y monitorizan el proceso gestionando su evolución.
Figura No.1.4. Estructura general del laboratorio.
1.3.2.2 Laboratorio de Automática de AIP-PRIMECA RAO
Este laboratorio se encuentra conformado por diferentes módulos, todos
accesibles desde aplicaciones Web; en cada uno se puede realizar el control
automático de motores, así como la manipulación de variadores de velocidad y
actuadores electroneumáticos utilizando PLCs a través de buses de campo. [8]
Características generales de los módulos
Cada módulo ilustra la instalación de un PLC, un manipulador de movimiento
(Variador de velocidad) y un conjunto de entradas y salidas sobre distintos buses
de campo.
Los elementos principales que componen los módulos son:
Área de alimentación. (Circuitos de protección y accionamientos, Fuente
de AC/DC).
Área de control. Posee un PLC que por una rama está conectado a un
servidor Web mediante una red Ethernet. En la otra rama está conectado a
una red de campo en la que se encuentran conectados los sensores y
actuadores de la maqueta. Además en esta área se encuentra un panel
como interface HMI.

13
Área de campo. Contiene las entradas y salidas distribuidas y los
elementos que se conectan a ella como: sensores, actuadores, encoders,
motores de arranque y variadores de frecuencia. (Pueden conectarse
además otros dispositivos).
Figura No. 1.5. Diseño estructural del laboratorio.
Algunos módulos del laboratorio (AIP-Primeca RAO)
Figura No. 1.6. Módulo con red PROFIBUS DP (Izquierda), con red Modbus TCP/RTU (Derecha).
Acceso remoto al laboratorio
Para acceder al laboratorio cada profesor o tutor debe registrarse con anterioridad
en una sección de administración de redes. Luego el profesor puede conectarse a
la intranet y ver cuáles son los dispositivos que tendrá disponibles por un tiempo
de 60 minutos máximo. El profesor en este momento tiene la facultad de cambiar
la contraseña de acceso de los estudiantes. [8]
Luego es posible que los estudiantes se conecten y comiencen a interactuar con
una aplicación Web que dispone de:
Visualización de la maqueta mediante Webcam.
Archivos de ayuda de toda la documentación correspondiente.
Interface grafica de la aplicación.

14
Figura No. 1.7. Aplicación Web para acceso remoto al laboratorio.
Arquitectura de la red
Desde esta aplicación se puede programar el PLC del módulo, a través del
software correspondiente (Schneider Electric PL7-Pro), monitorizar el proceso
mediante la interface de video y desarrollar supervisión del proceso mediante los
softwares Vijeo Designer or Citect Scada. Toda la información fluye utilizando un
servidor con Windows® Server 2003 al que se conectan las distintas estaciones.
Figura No. 1.8. Arquitectura de la red de acceso remoto al laboratorio.
1.3.2.3 Laboratorio de Automática en Telemark University College,
Noruega
Este laboratorio cuenta con diferentes prácticas implementadas, estas recogen
diversos elementos relacionados con la automática y el control. Existe
comunicación del proceso con PCs a través del software LABVIEW con servidor
OPC, se cuenta también con simulaciones implementadas sobre este programa y
la posibilidad de interactuar con el proceso utilizándolas.[9]

15
A continuación se muestran algunas de las prácticas que existen implementadas
en el laboratorio.
a-) Control de procesos de primer orden con retardo
Esta práctica ha sido implementada sobre la simulación en LABVIEW de un
proceso de primer orden con retardo, se utilizan controladores “Fuji PYX5 y PYX9
PID” en el lazo y además una interface de entrada/salida USB-6008 de National
Instruments para comunicar la simulación del proceso (LABVIEW + PC) con el
controlador (Fig. 1.9). [9]
Figura No. 1.9. Comunicación Labview/Controlador PYX9 empleando el dispositivo USB 6008 de
National Instruments.
b-) Control de taladro empleando un SIMATIC PLC
Esta práctica simula el control de un taladro utilizando un PLC de Siemens (S7-
300), el proceso es simulado en LABVIEW y se comunica con el PLC mediante un
servidor OPC del cual la PC que ejecuta el software (LABVIEW) es cliente. La
práctica posee una interface gráfica diseñada para monitorizar de cierta manera el
comportamiento del equipo según los parámetros de simulación. [9]
Figura No.1.10. Aplicación para el control de un taladro empleando servidor OPC.

16
c-) Modelado matemático del comportamiento del nivel en un tanque
La presente práctica de laboratorio consta de dos partes; la primera es el
modelado de matemático del proceso de variación de nivel empleando ecuaciones
diferenciales, y la segunda es la identificación del proceso empleando datos
obtenidos de la variación de flujo, que es producida por una bomba de agua. De
aquí debe obtenerse un modelo discreto del comportamiento de nivel en el tanque
de la maqueta.
El proceso de identificación se desarrolla una vez obtenidos los datos de variación
de nivel a partir de la manipulación del accionamiento de la bomba, para obtener
el modelo correspondiente se utiliza un programa de LABVIEW que emplea los
datos almacenados y devuelve un modelo matemático discreto. Más tarde se
orienta a los estudiantes diseñar un sistema de control utilizando el modelo
obtenido. [9]
Figura No. 1.11. Maqueta para control de nivel en un tanque.
1.3.3 Análisis del estado del Arte
En las secciones anteriores se ha visto que existe un gran desarrollo en los
laboratorios de Automática para estudiantes de ingeniería. Este factor influye
directamente en la preparación del alumno y la superación del profesor, ya que se
tiene la posibilidad de formar al profesional integralmente en la práctica y la
teoría. Por tanto, la razón principal de este proyecto, es la necesidad de sentar las
bases para que el laboratorio de Automática logre reunir las características antes
mencionadas.

17
Capítulo II. Descripción de la maqueta y definición de los laboratorios
CAPÍTULO
II
DESCRIPCIÓN DE LA MAQUETA Y
DEFINICIÓN DE LOS LABORATORIOS

Descripción de la Maqueta y definición de los laboratorios . Capítulo II
18
2.1 Introducción
La maqueta de simulación industrial del laboratorio de Automática e
instrumentación, tiene incorporados los elementos más novedosos que existen
hoy en el campo de la Automática. La misma cuenta con conexiones redundantes,
mediante bus de campo, y una gama de equipos e instrumentos de última
tecnología.
En este capítulo se realiza una breve caracterización de la maqueta desde los
puntos de vista siguientes:
Físico. Se describen los elementos atendiendo a su geometría.
Conexiones. Se explican las diferentes vías de circulación del fluido y la
red de tuberías.
Software. Se señala qué programas se utilizan y el propósito de los
mismos.
Arquitectura de la red industrial. Se expone el conexionado de red que
viene implementado en la maqueta.
De esta manera se pretende dar a conocer los elementos básicos que
caracterizan la maqueta y comprender cómo funcionan.

19
2.2 Módulo de equipos e
instrumentos
El módulo de equipos e instrumentos está formado por un conjunto de vigas de
acero inoxidable unidas en forma de ortoedro apoyado sobre cuatro ruedas (Fig.
2.1). Dentro de esta estructura encuentran soporte todos los elementos que
componen este módulo, dígase: transmisores, válvulas, tanques, tuberías,
cableado, etc. El volumen que ocupa esta sección es de 1.62m3
.
Figura No. 2.1. Módulo de equipos e instrumentos.
2.2.1 Elementos físicos
Físicamente la maqueta está compuesta por:
Dos tanques cilíndricos de acrílico de 0.172 m3
, instalados verticalmente y
conectados a una red de tuberías de 0.003175 m (1/8”) de diámetro interior, que
proporciona, a través de válvulas manuales (tipo bola) instaladas, diferentes
interconexiones y vías de recorrido del fluido en función del estado de apertura de
las mismas. Cada tanque posee dos tomas de entrada y una de salida; esta última
puede comunicarse con la del tanque adyacente, manipulando una válvula que las
une o las aísla.
Dos bombas centrífugas verticales que ocupan un volumen de 0.017 m3
,
estas se encargan de impulsar el líquido depositado en los tanques a través de la
red de tuberías. Cada bomba puede alimentar un solo tanque o a ambos al mismo
tiempo, todo depende del estado de las válvulas manuales que determinan el
sentido de circulación del fluido. (Anexo 2.1)

20
Un compresor de aire de instrumentos con tanque cilíndrico para
almacenamiento, instalado horizontalmente alimenta el actuador de la válvula de
control, el mismo ocupa en volumen de 0.035m3
. Este compresor se conecta a un
reductor de presión que alimenta al posicionador de la válvula de control a través
de una tubería plástica. En la tubería se encuentra un presostato pequeño para
proteger el actuador de anomalías en la presión de alimentación. (Anexo 2.2)
Un transmisor de presión diferencial que ocupa un volumen de 0.0045 m3
,
el mismo se encuentra ubicado en la parte inferior de uno de los tanques. Este
instrumento tiene conectada una de sus tomas a la salida del tanque y la otra está
abierta al ambiente (atmósfera). (Anexo 2.3)
Un transmisor electromagnético de flujo que está dividido en dos secciones:
1. Elemento primario de medición: Está instalado en la línea entrada de
uno de los tanques y tiene un volumen de 0.0046 m3
. (Anexo 2.4)
2. Elemento indicador transmisor: Se encuentra conectado al elemento
primario de medición mediante cables y está situado en la periferia del área
industrial de la maqueta, así es posible facilitar la visibilidad y el acceso de
los usuarios. El volumen que ocupa es de 0.0051 m3
. (Anexo 2.5)
Un transmisor de flujo tipo Coriolis que se encuentra instalado
verticalmente, tiene forma cilíndrica y su volumen es de 0.0024 m3
. Este elemento
se encuentra en la línea de alimentación de uno de los tanques en la cual realiza
la medición de caudal. (Anexo 2.6)
Dos presostatos pequeños que se encuentran instalados en las líneas de
alimentación de cada uno de los tanques, estos consumen un espacio muy
reducido. (Anexo 2.7)
Una válvula de control con posicionador inteligente que está ubicada en la
entrada de uno de los tanques para regular el flujo. La válvula tiene un volumen de
0.012 m3 y la circulación del fluido por el cuerpo de la válvula es en dirección
horizontal. (Anexos 2.8 y 2.9)
Dos válvulas de seguridad que se encuentran en la entrada de cada tanque.
(Anexo 2.10)

21
Un distribuidor de campo donde se concentra el cableado PA para llevarlo
al Módulo de Procesamiento. (Sección 2.4.4.1)
Una caja de conexiones donde se realiza la concentración del cableado
para establecer la comunicación con el Módulo de Procesamiento, esta ocupa un
volumen de 0.028 m3
.
2.2.2 Conexión de los elementos
La conexión entre los elementos del Módulo de Equipos e Instrumentos se
explicará empleando la figura 2.2, y es la siguiente:
Tomando como punto de partida la salida del tanque 1, se encuentra, como
primer elemento, el divisor 1, dispositivo que conecta en su salida A un sensor de
presión diferencial que toma la presión atmosférica como señal de referencia y
que se encarga de medir el nivel en el tanque 1. En la salida B de este elemento
se encuentra el divisor 2 que conecta en sus salidas A y B las válvulas de bola
manuales 1 y 2 respectivamente; siguiendo de la válvula 2 se encuentra el divisor
3, dispositivo que conecta en su salida A, la válvula manual 3, que brinda la
posibilidad de la salida del fluido al exterior; por otro lado, en la salida B de este
último elemento divisor y siguiendo por la tubería, se encuentra un elemento de
drenaje en forma de Y, que tiene conectada su salida A en la entrada de la bomba
1.
Siguiendo de la salida de la bomba 1, se encuentra el divisor 4, que conecta su
salida A a un divisor (5), que tiene como función, habilitar una toma en la tubería
para un sensor-transmisor (presostato) de presión en línea (1); en la otra salida de
este divisor, se encuentra una válvula de seguridad que por último se conecta a la
entrada B del tanque 1. Retornando al dispositivo divisor 4, pero en este caso por
la salida B, se encuentra la válvula manual 4 que se conecta con el divisor 6; en la
salida A de dicho elemento (divisor 4), se encuentra la válvula manual 5,
brindando la posibilidad de la salida del fluido al exterior; continuando con la salida
B de este último divisor, se encuentra un conjunto sensor-transmisor de Coriolis
que conecta su salida a la entrada B del tanque 2. Partiendo de la salida del
tanque 2, se encuentra el divisor 7, cuya salida A se conecta directamente con la
válvula manual 1; en la salida B de este último divisor se tiene la válvula manual 6
y seguidamente se tiene el divisor 8, dispositivo que conecta en su salida A la

22
válvula manual 7, brindando la posibilidad de salida del fluido al exterior;
continuando con la salida B del elemento divisor 8, se dispone de un elemento de
drenaje en forma de Y que conecta su salida A en la entrada de la bomba 2.
Siguiendo con la salida de la bomba 2, se encuentra el divisor 9, cuya salida A se
conecta a un sensor-transmisor electromagnético de flujo, que sigue en su salida
con la conexión de una válvula de control con posicionador electroneumático y
actuador de diafragma, que desemboca finalmente, en la entrada A del tanque 1.
Retornando al elemento divisor 9, en la salida B, se tiene el elemento divisor 10,
que tiene como objetivo brindar una toma en la tubería para un sensor-transmisor
de presión en línea (presostato 2); en la otra salida de este divisor se encuentra
una válvula de seguridad que por último se conecta a la entrada A del tanque 2.
Leyenda:
Figura No. 2.2. Conexionado de los elementos.
Elementos 1
Elementos 2
Elementos 5
Elementos 6
Elementos 9
Elementos 10
Elementos 3
Elementos 4
Elementos 7
Elementos 8

23
2.3 Módulo de Procesamiento
Este módulo es un armario que contiene todos los dispositivos de adquisición,
procesamiento de datos, comunicaciones y visualización del estado del proceso
(Fig. 2.3). Tiene forma de ortoedro con un volumen de 0.512 m3
y se enlaza con
el Módulo de Equipos e Instrumentos mediante cableado.
Figura No. 2.3. Módulo de procesamiento Superior (izquierda) e Inferior (derecha).
El armario está dividido en dos secciones:
Una cámara superior donde se encuentran instalados los dispositivos que
se encargan del control, monitorización y supervisión del estado de la
maqueta.
Una cámara inferior donde están instalados los dispositivos y módulos de
E/S, comunicaciones, variadores de velocidad, fuentes de alimentación, etc.
2.3.1 Elementos físicos
2.3.1.1 Cámara Superior
Una PC Industrial que tiene la posibilidad de supervisar el proceso y comunicarse
con los elementos del módulo industrial, para ello emplea una CPU S7 416 2DP
PCI para WinAC con procesador de comunicación CP 5611 conectada PROFIBUS
DP. Esta CPU se conecta en el slot PCI de dicha PC industrial. (Anexos 2.11 y
2.12)
2.3.1.2 Cámara Inferior
Dispositivos de accionamiento (Relés, Breakers, Fan. etc.).
Dos variadores de velocidad para manipular las bombas. (Anexo 2.13)

24
Una regleta inteligente (ET 200M con fuente de alimentación) instalada para
descentralizar los módulos de E/S digitales y analógicos. Estos se encargan de
recoger las señales del Módulo de Equipos e Instrumentos. (Anexo 2.14)
Módulos de conversión DP/PA para comunicar los dispositivos de campo con
la CPU. (Anexo 2.15)
2.4 Software de aplicación
La PC industrial tiene como sistema operativo Microsoft® Windows XP® SP2.
Para desarrollar tareas de ingeniería se encuentra equipada con la aplicación
SIMATIC PCS7 v7.0; este paquete constituye el entorno de desarrollo de
“SIEMENS” que integra las soluciones software (WinCC, STEP 7, ROUTE
CONTROL, SIMATIC Logon, SIMATIC NET, SIMATIC PDM, PC Based Control)
brindadas por dicho fabricante para la automatización y el control.
2.4.1 SIMATIC PCS 7
El SIMATIC PCS 7 es un sistema de control de procesos avanzado, que ofrece
una arquitectura modular y abierta, potentes tecnologías básicas, componentes de
hardware y software estándares tomados de la última gama SIMATIC de Siemens
y sofisticadas funciones de control e instrumentación. Sus principales
características son: [10]
Grandes prestaciones, flexibilidad y escalabilidad.
Gestión homogénea de datos, comunicación y configuración.
Sistema abierto sobre la base de tecnologías básicas y estándares
industriales internacionalmente establecidos.
Potente ingeniería a escala de sistema, conducción fácil y segura del
proceso.
Manejo y visualización confortables, redundancia a todos los niveles y
conexión directa a tecnologías de la información.
Soluciones de automatización de seguridad positiva.
Amplia integración de buses de campo.
Soluciones flexibles para procesos por lotes e integración de transportes de
material (Route Control).

25
Gestión de activos (diagnóstico, reparación y mantenimiento preventivos).
Todas las labores de ingeniería para el control y la automatización se llevan a
cabo en el Administrador SIMATIC.
2.4.1.1 Administrador SIMATIC
El Administrador SIMATIC es la plataforma de integración para el “Engineering
Toolset” y la base de configuración para toda la ingeniería del sistema de control
de procesos SIMATIC PCS 7. En él se administra, archiva y documenta el
proyecto SIMATIC PCS 7. Usando el “Engineering Toolset”, ajustado a las
necesidades tecnológicas, bloques y esquemas preconfigurados, los tecnólogos y
técnicos de procesos y de fabricación pueden realizar la ingeniería trabajando con
los elementos que les son habituales. El hardware necesario para un proyecto
SIMATIC, como son controladores, componentes de comunicación y periferia del
proceso, está guardado en un catálogo electrónico y se configura y parametriza
con la herramienta “HW Configuration”. [10]
2.4.1.2 Ventajas
Asimismo, cada usuario disfruta de las ventajas que resultan del uso de
componentes SIMATIC estándares como: [10]
Reducidos costos en hardware e ingeniería, y ahorro de logística,
mantenimiento y formación.
Calidad y estabilidad acreditadas.
Definición y selección fácil y rápida de los componentes del sistema.
Disponibilidad global.
El proyecto se desarrolló utilizando el paquete PCS 7 instalado en la PC. A través
del SIMATIC Manager se programaron las aplicaciones (configuración de la red, y
programación del PLC) en STEP 7 v5.4; y para la aplicación SCADA se utilizó el
WinCC v6.2 incluido en dicho paquete.
2.5 Arquitectura de la red Industrial
2.5.1 Buses de campo
La génesis de los buses de campo está sustentada por la necesidad de
implementar tecnologías modernas que permitan eliminar cableado, acceder a la

26
mayor cantidad de información posible de manera segura y confiable ejecutando
comandos de control y descarga de configuraciones, todo en forma rápida y por un
mismo medio.
El eliminar cableado implicó en forma inmediata eliminar considerablemente
puntos de falla con un beneficio adicional referido al aspecto impecable que toman
los gabinetes de control, al mismo tiempo el acceder a mayor cantidad de
información de equipos instalados en la periferia permite optimizar el desempeño
del proceso, por otro lado al ser la comunicación bidireccional entre maestros y
periferias además es posible implementar medidas de mantenimiento efectivas.
Al desaparecer el riesgo del punto de falla por el excesivo cableado, las plantas se
ven enfrentadas a un nuevo desafío: implementar una red de control de calidad,
donde ya no solo el maestro y el esclavo son los responsables de un buen
funcionamiento, sino también una buena instalación, que va desde cómo se corta
y aterriza un cable de comunicación, como se segmenta una red, como se
optimiza la señal por efecto de las distancias, como se arma un conector hasta el
cierre adecuado del bus. [11]
2.5.1.1 Concepto de BUS
Se puede considerar a un “bus” como un conjunto de conductores conectando
conjuntamente uno o más circuitos para permitir el intercambio de datos. Contrario
a una conexión punto a punto donde solo dos dispositivos intercambian
información, un “bus” consta normalmente de un número de usuarios superior,
además generalmente un “bus” transmite datos en modo serie. Para una
transmisión serie es suficiente un número de cables muy limitado, generalmente
con dos o tres conductores y, la debida protección contra las perturbaciones
externas para permitir su tendido en ambientes de ruido industrial. [12]
2.5.1.2 Ventajas de un bus de campo
El intercambio se lleva a cabo por medio de un mecanismo estándar.
Flexibilidad de extensión.
Conexión de módulos diferentes en una misma línea.
Posibilidad de conexión de dispositivos de diferentes procedencias.
Distancias operativas superiores al cableado tradicional.

27
Reducción masiva de cables y costo asociado.
Simplificación de la puesta en servicio.
2.5.1.3 Desventajas de un bus de campo
Necesidad de conocimientos superiores.
Inversión de instrumentación y accesorios de diagnóstico.
Costos globales inicialmente superiores.
2.5.2 PROFIBUS
2.5.2.1 Generalidades del PROFIBUS
Principales elementos [10]
Transmite pequeñas cantidades de datos.
Cubre necesidades de tiempo real.
Número de estaciones bajo (32 sin repetidores, 127 con repetidores máx.).
Fácil configuración: Plug & Play.
Permite integrar dispositivos inteligentes y otros “menos inteligentes”.
Protocolos simples.
Propone dos tipos de estaciones:
1. Maestras (activas): pueden controlar el bus e iniciar transferencias
2. Esclavas (pasivas): sólo pueden reconocer mensajes o responder a
peticiones remotas.
Configuración mínima:
1. Dos maestros.
2. Una estación maestra y una esclava.
Topología de la red en bus lineal o árbol con terminadores
Transmisión serie sobre distintos medios, generalmente RS-485.
Ofrece redundancia opcional mediante un segundo medio de transmisión.
Servicios de transferencia:
1. Acíclicos:
Envío de datos con acuse de recibo o sin él.
Petición de datos con respuesta.
2. Cíclicos:
Polling (Sondeo).

28
2.5.2.2 Familia PROFIBUS
La familia PROFIBUS está compuesta por FMS, DP y PA (Tabla 2.1). [13]
PROFIBUS – FMS (1) PROFIBUS – DP (2) PROFIBUS – PA (3)
Automatización de Propósito
General
Automatización de Planta Automatización de Proceso
Amplio rango de aplicaciones
Nivel de célula
Flexibilidad
Tareas de comunicación
complejas
Comunicación Multi-Maestro
Alta velocidad
Plug & Play
Eficiente y barato
Comunicación de sistemas de
control y E/S distribuidas a
nivel de dispositivo
Orientado a la aplicación
Alimentación de los
dispositivos a través del bus
Seguridad intrínseca
Tabla No. 2.1. Familia del PROFIBUS.
1- PROFIBUS- Fieldbus Messaging Specification (FMS).
2- PROFIBUS-Distributed Periphery (DP).
3- PROFIBUS-Process Automation (PA).
2.5.2.3 Datos técnicos del PROFIBUS
PROFIBUS DP PROFIBUS PA
Transmisión de datos RS-485 RS-485 IS Fibra óptica MBP
Velocidad de transmisión 9.6 kbits/s...12 Mbits/s 9.6 kbits/s...12 Mbits/s 9.6 kbits/s...12 Mbits/s 31.25 kbits/s
Cable Bifilar blindado Bifilar blindado Plástico y multimodo
sencillo con fibra de
vidrio
Bifilar blindado
Modo de operación EEx(ib) EEx(ia/ib)
Topología Lineal, árbol línea Anillo, estrella, línea Anillo, estrella,
línea
Estaciones por segmento 32 32 - 32
Estaciones por red
( repetidor)
126 126 126 -
Longitud del cable por
segmento en función de la
velocidad de transmisión
1200m (93.75 kbits/s)
1000m (187.5 kbits/s)
400m (500 kbits/s)
200m (1.5 Mbits/s)
100m (12 Mbits/s)
1000m (187.5 kbits/s)
400m (500 kbits/s)
200m (1.5 Mbits/s)
Máx. 80m (plástico)
2-3 Km (multimodo
con fibra de vidrio)
≥ 15 Km con 12
Mbits/s (modo sencillo
con fibra de vidrio)
1900 m:
estándar
1900 m:
EEx(ib)
1000 m:
EEx(ia)
Repetidor para refrescar
señales en redes RS-485
Máx. 9 Máx. 9 No relevante No relevante
Tabla No. 2.2. Datos técnicos del PROFIBUS (Familias disponibles en la maqueta).
2.5.2.4 Algunas ventajas de PROFIBUS
Interoperabilidad
Es la posibilidad de instalar dispositivos de distintos fabricantes en una misma red
sin que se produzcan problemas de compatibilidad. La aprobación según el
Standard PROFIBUS asegura que cualquier dispositivo PROFIBUS puede ser
integrado independientemente del fabricante, de este modo se elimina la lista de
“proveedores favoritos” con las consiguientes ventajas en cuanto a disponibilidad
de dispositivos. [11]

29
Redundancia
En aquellas plantas en las que una parada en el sistema de control del proceso
suponga pérdidas importantes o incluso circunstancias peligrosas, se hace
necesaria una elevada disponibilidad del sistema de control, la cual se consigue
por medio de arquitecturas redundantes y tolerantes a fallas. En estas situaciones
también la red de control debe proporcionar una máxima disponibilidad, por medio,
entre otras medidas, de configuraciones redundantes en el bus de campo.
PROFIBUS ofrece una elevada disponibilidad desde la red de alta velocidad y
llegando incluso hasta el nivel de instrumentación de campo en PROFIBUS PA,
gracias a la redundancia y a la configuración tolerante a fallas en PA por medio de
la arquitectura en anillo. [11]
2.5.3 Topologías de red
Se le llaman topologías de red a las diferentes estructuras de interconexión en que
se pueden organizar las redes de transmisión de datos entre dispositivos. Cuando
componentes de automatización autónomos tales como sensores, actuadores,
autómatas programables, robots, etc., intercambian información, estos deben
interconectarse físicamente con una estructura determinada. Cada topología de
red lleva asociada una topología física y una topología lógica. La primera
(topología física), es la que define la estructura física de la red, es decir, la manera
en la que debe ser dispuesto el cable de interconexión entre los elementos de la
red (Fig. 2.4). La topología lógica es un conjunto de reglas normalmente asociada
a una topología física, que define el modo en que se gestiona la transmisión de los
datos en la red. La utilización de una topología influye en el flujo de información
(velocidad de transmisión, tiempos de llegada, etc.), en el control de la red, y en la
forma en la que esta se puede expandir y actualizar.
Figura No. 2.4. De izquierda a derecha: Topologías de anillo, árbol, estrella y bus.

30
2.5.4 Detalles de la red implementada en la maqueta
La red industrial que se encuentra implementada se basa en el estándar
PROFIBUS; DP para un nivel superior y PA para los dispositivos del campo.
En la maqueta de simulación se cuenta con una topología del tipo, anillo
PROFIBUS PA (Fig. 2.6). El anillo PROFIBUS PA se conecta a dos acopladores
DP/PA FDC 157-0 de una transmisión entre redes DP/PA, que se utiliza en un
PROFIBUS DP simple. La comunicación redundante PROFIBUS PA de bus de
campo que ha desarrollado “Siemens Automation and Drives (A&D)” permite
incrementar la disponibilidad de la planta y evitar paros no programados por
roturas o errores. En el diseño se ha incluido un acoplador DP/PA redundante y un
distribuidor activo de campo AFD (Active Field Distributor), aptos para configurar
topologías en anillo de alta disponibilidad.
2.5.4.1 Distribuidor activo de campo (AFD)
El distribuidor AFD (Fig. 2.5) cuenta con conexiones bus integradas automáticas.
Estas aíslan subsegmentos defectuosos de forma automática y sin transitorios al
producirse un cortocircuito o romperse un hilo conductor. Permiten, por otro lado,
modificar la instrumentación o añadir y quitar segmentos en anillo con el sistema
en marcha. La instalación también se simplifica y es más segura gracias a la
exclusión general de las terminaciones erróneas. Hay además disponible toda una
serie de funciones de diagnóstico que permiten localizar y subsanar fallos sin
pérdida de tiempo.
Los distribuidores de campo activo AFD (Active Field Distributors) integran
dispositivos de campo PROFIBUS PA a través de sus 4 conexiones de cables
derivados en un anillo PROFIBUS PA. Por cada anillo se pueden configurar hasta
8 AFDs y hasta 31 dispositivos PROFIBUS PA. [14]
Figura No. 2.5. Distribuidor Activo de Campo (AFD).

31
Figura No. 2.6. Conexionado de la red implementada en la maqueta de simulación industrial.
2.5.4.2 Topología física en anillo
Los nodos se conectan en serie alrededor del anillo. Sería equivalente a unir los
extremos de una red en bus. Los mensajes se transmiten en una dirección
(actualmente existen topologías en red con envíos en ambos sentidos, siendo este
el caso implementado en la maqueta), pasando por todos los nodos necesarios
hasta llegar a su destino. No existe un nodo principal y el control de la red queda
distribuido entre todos los nodos. Cuando la red es ampliada o reducida, el
funcionamiento queda interrumpido y un fallo en la línea provoca la caída de la red
(problemas que son solucionados con el empleo del AFD). [15]
2.5.4.3 Ventajas especiales de la arquitectura en anillo
Disponibilidad máxima.
Gestión de redundancia transparente para el sistema superpuesto de los
acopladores DP/PA inteligentes.
Los terminadores de bus para la resistencia de cierre de bus automática en
los acopladores DP/PA y los AFDs ofrecen aislamiento automático sin
choques de segmentos parciales en caso de cortocircuito o rotura de cable
y modificación de la configuración en anillo y de los instrumentos durante el
funcionamiento; añadir o retirar segmentos del anillo.

32
Aplicaciones de seguridad y tolerantes a fallos con gastos reducidos de
dispositivos y en cableado. [15]
2.5.4.4 Cableado PROFIBUS utilizado
El tipo de cable utilizado es “cable bus con tecnología FastConnect”,
denominado “PROFIBUS FC Standard Cable GP” (Fig. 2.7); este presenta
características de montaje rápido y sencillo de conectores, mediante la
herramienta peladora. Los conductores presentan una estructura bifilar trenzada,
apantallada, con simetría radial. [14]
Figura No. 2.7. Cable PROFIBUS FC Standard Cable GP (izquierda) y Conector 830-2 (derecha).
2.5.4.5 Conector PROFIBUS utilizado
El tipo de conector es denominado “PROFIBUS cable enchufable 830-2” (Fig. 2.7);
este se encuentra pre confeccionado con dos conectores macho de 9 polos. Uno
de los conectores incorpora una interfaz PG. El conector 830-2 sirve para
comunicar estaciones PROFIBUS a equipos de automatización con velocidades
de transferencia de hasta 12Mbits/s. [16]
2.5.4.6 Elementos físicos conectados a PROFIBUS DP
CPU 416 2DP PCI.
ET200M.
DP/PA Link con acopladores DP/PA redundantes IM157-0.
2.5.4.7 Elementos físicos conectados a PROFIBUS PA
DP/PA Link con acopladores DP/PA redundantes IM157-0.
Transmisor Electromagnético de flujo MAG 6000I.
Transmisor de Coriolis MASS 6000.
Transmisor de presión diferencial SITRANS P.
Posicionador inteligente SIPART PS2.

33
2.5.4.8 Elementos físicos conectados a la ET200M
Tres presostatos (Dos de presión en las líneas de alimentación de agua y
uno en línea de alimentación de aire).
Dos variadores de velocidad (Setpoint, acuse y fallo).
Interruptor de paro de emergencia.
Indicador de tres lámparas.
2.6 Definición de los
Laboratorios
Después de concluir el estudio de los elementos que componen la maqueta se
definieron 10 prácticas de laboratorio asociadas a las disciplinas de
Instrumentación y Control. Estas son:
1. Laboratorio de parametrización de sensores inteligentes (Anexo Adjunto 1)
En este laboratorio se persigue que el estudiante interactúe con un instrumento
inteligente a través de la configuración de sus principales funciones (Anexo 3).
2. Laboratorio de parametrización de red industrial (Anexo Adjunto 2)
Con este laboratorio se busca que el estudiante se familiarice con el bus de campo
PROFIBUS, dispositivos asociados, y que realice la parametrización de una red
industrial real.
3. Laboratorio para trabajo con la válvula de control (Anexo Adjunto 3)
En este laboratorio se persigue que el estudiante pueda identificar la variación que
sufre la característica inherente de la válvula de control al ser instalada en un
proceso real.
4. Laboratorio para trabajo con lenguaje de contactos (Anexo Adjunto 4)
En este laboratorio se pretende entrenar al estudiante en el empleo del lenguaje
de contactos, para ello se le pide la resolución de un problema práctico, que luego
verá implementado en un PLC real.

34
5. Laboratorio de montaje de un canal de medición de temperatura
(Anexo Adjunto 5)
Con este laboratorio se persigue que el estudiante utilice comunicación 4-20 mA
como parte de un proyecto que consiste en el diseño e implementación de un
canal de medición.
6. Laboratorio de control PID con proceso simulado (Anexo Adjunto 6)
Con este laboratorio se pretende que el estudiante adquiera habilidades en el
trabajo con bloques PID de un PLC, y que actúe sobre un proceso simulado con
controlador real.
7. Laboratorio de control ON-OFF de nivel (Anexo Adjunto 7)
Con el desarrollo de este laboratorio se persigue que el estudiante aprenda a
trabajar con controladores ON-OFF, y a identificar los efectos que producen en un
proceso real la variación de sus parámetros característicos.
8. Laboratorio de Control PID de nivel (Anexo Adjunto 8)
En este laboratorio se pretende que el estudiante controle un proceso real a través
de un controlador PID, trabajando con los parámetros característicos de dichos
controladores.
9. Laboratorio de identificación de un proceso de nivel mediante la respuesta
a un paso (Anexo Adjunto 9)
En este laboratorio se busca que el estudiante interactúe con un proceso real de
nivel, estimulando con un paso escalón, luego recopilando datos y realizando la
identificación no paramétrica del mismo.
10. Laboratorio de aplicación SCADA (Anexo Adjunto 10)
En este laboratorio se persigue que el estudiante utilice el WinCC como SCADA
para crear variables y vincularlas con un proceso real.

35
Capítulo III. Parametrización de la red y programación de los
laboratorios
CAPÍTULO
III
PARAMETRIZACIÓN DE LA RED Y
PROGRAMACIÓN DE LOS
LABORATORIOS.

Parametrización de la red y programación de los laboratorios .Capítulo III
36
3.1 Introducción
En este capítulo se configurará por software y físicamente (en el caso de la
ET200M y el DP/PA Link) la red implementada teniendo en cuenta el estándar de
comunicación industrial PROFIBUS y los dispositivos que se encuentran presentes
en la maqueta de simulación. Al concluir con el direccionamiento de los elementos
se expondrá la programación de los laboratorios y de las condiciones de
operación.
Para dar solución a los planteamientos de este capítulo se realizará un estudio de
los siguientes elementos:
3.1.2 Simatic WinAC
Simatic WinAC está disponible en dos versiones:
Software PLC
Slot PLC
La versión con la que se trabaja en este proyecto es la Slot PLC, debido a que el
PLC disponible cumple con WinAC Slot PLC 416 (sección 2.2.1.1). Esta solución
se basa en el uso de una PC y en aplicaciones donde se requiere un alto grado de
disponibilidad y confiabilidad operacional. El WinAC Slot PLCs está basado en la
familia de CPU S7-400. En combinación con una fuente externa de 24V, los
programas de usuario son procesados independientemente de la PC. Una batería
de respaldo (3.6V) asegura que todos los datos en área de memoria permanezcan
intactos. Cada tarjeta incorpora una interface MPI/DP y una DP, para
comunicaciones con otras CPUs y para la periferia distribuida de E/S. [17]
Figura No. 3.1. Aplicación “PC-Based Control”.
La CPU es controlada desde el entorno de Windows®
empleando la aplicación PC-Based Control (Fig. 3.1)
incluida en el paquete PCS 7.
Esta aplicación permite:
Puesta en marcha.
Parada.
Borrado de la memoria.
Funciones de diagnóstico.

37
3.1.1 Direccionamiento de las ET 200M
Figura No. 3.2. Direccionamiento de las ET 200M.
3.1.2 Generalidades de STEP 7
Los lenguajes de programación disponibles para STEP 7 son, KOP, AWL y FUP.
La programación en los distintos lenguajes se puede realizar de dos formas:
Trabajo con direcciones absolutas
Todas las entradas y salidas tienen asignada de forma estándar una dirección
absoluta. Esta dirección se utiliza directamente en el software. La programación
utilizando las direcciones absolutas no está recomendada a no ser que el
programa S7 contenga pocas entradas y salidas.
Trabajo con direcciones simbólicas
A cada entrada y salida se le asigna un nombre simbólico y un tipo de datos. Estos
nombres, denominados variables globales, son válidos para todos los
componentes del programa. La programación simbólica le permite al programador
mejor legibilidad del programa y rapidez a la hora de realizar un código de
programación. (Anexo 6)
El software de programación STEP 7 permite estructurar el programa de usuario,
es decir, subdividirlo en distintas partes. Esto se logra empleando la programación
orientada a bloques que se interrelacionan entre sí.
3.1.3.1 Bloque de organización para la ejecución cíclica del programa
En STEP 7 el OB1 es procesado cíclicamente por la CPU. Esta lee el programa
contenido en el bloque línea por línea y ejecuta los comandos. Cuando la CPU
La dirección PROFIBUS es la adición de los
interruptores que se encuentran en “ON” (Fig. 3.2).
La dirección puede ser cambiada en cualquier
momento. La IM 153-x aceptará el cambio una vez que
la fuente DC 24V haya sido apagada y encendida
nuevamente. [17]

38
vuelve a encontrarse en la primera línea del programa, significa que ha finalizado
un ciclo. El tiempo transcurrido hasta entonces se denomina “tiempo de ciclo”. La
ejecución cíclica de programas se le llama ejecución "normal" en los sistemas de
automatización. Las operaciones que se programen en el OB1, no deben exceder
los 150ms, si esto ocurre provoca un error de programación haciendo que el PLC
pase a estado de STOP. Por dicha razón se recomienda que la programación se
lleve a cabo en funciones o bloques de funciones (FC o FB) y en el OB1
simplemente se realice la llamada a dichas funciones. [18]
3.1.3.2 Bloques de organización de alarma cíclica
Las CPUs S7 ofrecen OBs de alarmas cíclicas que interrumpen la ejecución del
programa en intervalos determinados. El tiempo de arranque del período
corresponde al cambio de estado operativo de STOP a RUN. Entre los bloques de
alarma cíclica se encuentra el OB35, que presenta un período de ejecución de
100ms (este puede ser reconfigurado).
3.1.3.3 Programación en funciones
Las funciones y los bloques de función, están subordinados al bloque de
organización. Para que puedan ser procesados por la CPU, estos tienen que ser
llamados también desde el bloque de orden superior. En el caso de las funciones,
a diferencia de los bloques funcionales, no se requiere ningún bloque de datos. En
las funciones, los parámetros también se listan en la tabla de declaración de
variables, pero no se admiten datos locales estáticos.
3.1.3.4 Bloque PID FB41 "CONT_C”
Los “bloques de regulación” suponen una regulación meramente de “software”, es
decir, un bloque contiene todas las funciones del regulador. Los datos necesarios
para el cálculo cíclico están almacenados en los bloques de datos asociados. De
esta forma es posible llamar varias veces los FB. Los FB incluyen funciones de
acondicionamiento del valor de consigna, del valor real y de la magnitud
manipulada calculada. El FB "CONT_C” (FB41) es el bloque de un regulador PID
completo, con salida continua de magnitud manipulada y posibilidad de influenciar
manualmente su valor. [19]

39
3.2 Parametrización de la red
3.2.1 Identificación de los dispositivos
Antes de comenzar el procedimiento de parametrización se realizó la identificación
de los dispositivos que se encuentran instalados. Para ello se necesita en detalle;
la numeración inherente de cada elemento, la cual especifica el modelo y orden de
pedido del mismo.
Tabla de especificaciones correspondiente al módulo de procesamiento (algunos
elementos traen la numeración impresa en la carcasa):
Dispositivo Numeración
CPU CPU 416-2 PCI V4.0 No.6ES7650-2MA07-0YX0
ET200M 6ES7 153-2BA01-0XB0 (IM 153-2)
SM321(Entradas Digitales) 6ES7 321-1BL00-0AA0 (DI32xDC24V)
SM322(Salidas Digitales) 6ES7 322-1BL00-0AA0 (D032xDC24V/0.5A)
SM331(Entradas Analógicas) 6ES7 331-1KF010AB (AI8x13Bit)
SM332(Salidas Analógicas) 6ES7 332-5HD01-0AB0 (A04x12Bit)
DP/PA Link 6ES7 153-2BA81-0XB0 (IM 153-2 OD)
Tabla No. 3.1. Numeraciones necesarias para configuración del Hardware.
Tabla de especificaciones correspondiente al módulo de equipos e instrumentos:
Dispositivo Numeración
Posicionador SIPART PS2PA (6DR55xx) 4.00.00
Transmisor Electromagnético SITRANS F M MAG6000 (Profile 3.00)
Transmisor Presión Dif. SITRANS P DSIII PROFIsafe
Transmisor Coriolis SITRANS F C MASS6000 (Profile 3.00)
Tabla No. 3.2. Numeraciones necesarias para configuración del Hardware.
Una vez que fue definida la numeración necesaria se procedió a realizar la
configuración del hardware de la red PROFIBUS.
3.2.2 Configuración por programa de la red
3.2.2.1 Creación del proyecto
Para comenzar se ejecutó la aplicación Administrador Simatic („‟Simatic
Manager‟‟) donde se creó un nuevo proyecto, empleando el asistente de creación
de proyectos „‟New Proyect Wizard…‟‟ que se encuentra en el menú de archivo
(„‟File‟‟).

40
A continuación se confirmó el cuadro de diálogo del asistente seleccionando
„‟Next‟‟. En la ventana que aparece se seleccionó la CPU PCS7 BOX de la lista
desplegable; una vez seleccionada esta opción en la parte inferior de la ventana
se escogió el paquete que se corresponde con la CPU que se encuentra en la
tabla 3.1 (Fig. 3.3).
Figura No. 3.3. Selección de la CPU.
A continuación se confirmó la selección presionando „‟Next‟‟. Luego se
seleccionaron tres niveles en la jerarquía de la planta, y se marcó la casilla „‟PCS7
OS‟‟. Seguidamente se definió el nombre de la carpeta y el destino donde se salvó
el proyecto; aceptando al presionar „‟Finish‟‟.
A continuación apareció una ventana donde se confirmó la opción, “Assign CPU-
oriented unique message numbers” en la parte superior de la misma, y
“Always prompt for settings” en la parte inferior. Al aceptar en este cuadro de
diálogo se creó el proyecto apareciendo en la ventana de exploración del
Administrador Simatic (Fig. 3.4).
Figura No. 3.4. Administrador Simatic con el proyecto creado.

41
Para comenzar con la configuración de la red, se ejecutó el configurador de
hardware (“Configuration”) que aparece en la sección derecha de la ventana de
exploración. Inmediatamente se mostró el mismo con la PC que incluye la CPU
previamente seleccionada, y un primer bus PROFIBUS DP como medio de
comunicación (Fig. 3.5).
Figura No. 3.5. Administrador Simatic con el proyecto creado.
A través de las propiedades del objeto PROFIBUS se le asignó al bus DP, la
dirección 1 (Anexo 7.1). Posteriormente se definió la velocidad de comunicación
del bus que por defecto se configuró en 1.5Mb/s.
3.2.2.2 Conexión de los dispositivos al bus DP
Los dispositivos a conectar en la red se encontraron en el catálogo de hardware,
que aparece en la ventana derecha del configurador de hardware. Para
introducirlos se arrastraron y se soltaron sobre el bus DP. Antes de insertar
cualquier elemento en el bus, se verificó que su numeración coincidiera con la
brindada en la tabla 3.1. Al seleccionar un dispositivo del catálogo, se muestra una
pequeña descripción (parte inferior del catalogo de hardware) del mismo y se
incluye la numeración necesaria para identificarlo.
Figura No. 3.6. Catálogo de hardware.
Como primer dispositivo se introdujo la ET 200M
(Fig. 3.6), que se encuentra disponible en:
“PROFIBUS DP”“ET 200M”“IM 153-2”
Una vez que el dispositivo fue insertado, se le asignó
la dirección 2, a través de las propiedades del objeto
IM 153-2. De esta forma fue conectado como esclavo
DP.
Identificador

42
El siguiente paso fue la conexión de los módulos de E/S a la ET 200M. Para
localizarlos se siguió el procedimiento anterior, con la diferencia de que su
incorporación se realizó directamente en la ventana que se muestra en la parte
inferior del configurador de hardware, después de haber seleccionado el
dispositivo IM 153-2 (Fig. 3.7).
Partiendo de “PROFIBUS DP”“ET 200M”“IM 153-2” (dispositivo incluido
anteriormente) se seleccionaron:
1. “DI-300”“SM 321 DI32XDC24V”.
2. “DO-300”“SM 322 DO32XDC24V/0.5A”.
3. “AI-300”“SM 331 AI8X13Bit”.
4. “AO-300”“SM 332 AO4X12Bit”.
Los módulos fueron insertados en el orden que aparecen. (Anexo 7.2)
Figura No. 3.7. Catálogo de hardware.
El segundo elemento que se conectó fue el DP/PA Link. Antes de realizar la
configuración de este elemento se debe aclarar que la redundancia física con la
que se cuenta, no influye en dicha configuración, por lo que se siguió con los
pasos antes mencionados.
Para ello se localizó en: “PROFIBUS DP”“DP/PA Link”“IM 153-2 OD”.
(Anexo 7.3)
Inmediatamente después, emergió un cuadro de diálogo donde fue asignada la
dirección del dispositivo (3) y la velocidad por defecto del bus PA (31.25Kb/s); al
confirmar este cuadro se mostró una ventana donde fue seleccionada la opción
Seleccionar Primero

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