CREANDO INGENIOS

ISSN: 3028-8924

Correo: editor.revista@tecnologicoismac.edu.ec

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Volumen 1, Número 1 / Julio – Diciembre 2021 pp. 1-17

Módulo de entrenamiento técnico profesional de automatización

Professional Automation Technical Training Module

Gustavo Maldonado

; Mayela Fernández

1,2

Instituto Tecnológico Universitario ISMAC-Carrera de Electromecánica, 170184, Quito, Ecuador

Fecha de recepción: agosto 2021 Fecha de aprobación: octubre 2021

RESUMEN

Las cambiantes expectativas de los

consumidores y el notable aumento en la

demanda de productos han convertido la

Automatización industrial en una solución

esencial para su fabricación. La

automatización ha permitido reducir costos,

mejorar la calidad del producto y acelerar

considerablemente los tiempos de

producción. Por lo tanto, la introducción de

módulos de entrenamiento para estudiantes

que cursan esta carrera es fundamental y

ofrece numerosos beneficios. Estos módulos

proporcionan una oportunidad invaluable

para reforzar los conceptos teóricos

mediante la práctica, preparando a los

estudiantes de manera más efectiva para su

futura inserción en el mercado laboral. Es

esencial que los estudiantes adquieran

habilidades prácticas en el manejo y

programación tanto de HMI como de PLC,

ya que estos dispositivos son la piedra

angular de la automatización industrial en la

actualidad, garantizando resultados óptimos

y factibles en la industria.

Palabras Clave: Modulo, Automatización

industrial, PLC, HMI.

ABSTRACT

Changing consumer expectations and the

significant increase in product demand have

made industrial automation an essential

solution for its manufacture. Automation has

reduced costs, improved product quality and

significantly accelerated production times.

Therefore, the introduction of training

modules for students pursuing this career is

fundamental and offers numerous benefits.

These modules provide an invaluable

opportunity to reinforce theoretical concepts

through practice, preparing students more

effectively for their future insertion into the

labour market. It is essential that students

acquire practical skills in the management

and programming of both HMI and PLC, as

these devices are the cornerstone of

industrial automation today, ensuring

optimal and feasible results in the industry.

Key Words: Module, Industrial Automation,

PLC, HMI.

Tecnólogo en Electromecánica, g.maldonado@tecnologicoismac.edu.ec

Ingeniero Electrónico, mfernandez@tecnologicoismac.edu.ec

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1. INTRODUCCIÓN

La Automatización Industrial implica la transformación de trabajos o procesos

manuales en operaciones automáticas en el ámbito de la producción, reduciendo al

mínimo la intervención humana. Esta evolución responde a la constante búsqueda de

innovación y mejora en la industria, que ha implementado sistemas avanzados para

automatizar los procesos. Estos sistemas, impulsados por tecnología innovadora,

proporcionan un control absoluto y garantizan la estandarización de la calidad de

producción.

Por lo general, un proceso de automatización industrial surge de la convergencia de

tres tecnologías fundamentales: mecánica, electrónica e informática. Estas tecnologías

guían los procesos tecnológicos, asegurando su optimización a través de sistemas

automáticos [2].

Un proceso automatizado integra diversas fuentes de energía y equipos de

infraestructura, junto con uno o varios programas de instrucciones que definen las

acciones a llevar a cabo. Esto incluye la arquitectura del sistema de control, que establece

los requisitos de sensórica, instrumentación, controladores lógicos programables (PLC) y

sistemas de supervisión, todo adaptado a los requisitos del proceso [11].

Teniendo en cuenta estos aspectos, es esencial implementar módulos de entrenamiento

técnico profesional en automatización para reforzar el conocimiento teórico adquirido

mediante la práctica. Estos módulos serán especialmente beneficiosos para los estudiantes

de Tecnología Electromecánica, ya que están diseñados específicamente para las

prácticas en Automatismos Industriales, haciendo uso del PLC y HMI.

2. MARCO TEÓRICO

2.1 Automatización

Un sistema automatizado es el conjunto de elementos (equipamiento, sistema de

información, y procedimientos) interrelacionados funcionalmente entre sí que conforman

una estructura jerárquicamente expandida cuya función es garantizar el desempeño

independiente del proceso a través de operaciones de control y supervisión total del

sistema, bajo las técnicas más modernas y cumpliendo los requisitos establecidos de

acuerdo al tipo de planta [8].

La estructura de un sistema automatizado puede clasificarse en dos partes, la parte

operativa que consiste de la agrupación de distintos instrumentos, maquinas o

subprocesos, implementados y estructurados con finalidad de llevar a cabo la labor de

distintas operaciones específicas requeridas por la industria. Por otra parte, tenemos la

parte denominada control la cual se relaciona con implementación de distintos sistemas

tecnológicos tales como: sistema electrónico, sistema neumático, sistema hidráulico etc.,

tienen la tarea de cumplir la coordinación sinérgica de las diferentes maniobras orientadas

a conservar el total control y mando de la parte operativa de la cadena de producción [5].

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Figura 1. Modelo estructural de un sistema automatizado

2.1.1 Características

Las carácteristicas consideradas por [8] en un sistema automatizado son:

 Esquemas de comunicación que garantizan el intercambio confiable de datos,

tanto vertical como horizontal entre todos los componentes del sistema.

 Alta capacidad de adaptación en las características del proceso para futuras

aplicaciones, automatización flexible.

 Trabajo en Tiempo Real.

 Operación según el principio de: “Control descentralizado bajo mando e

información centralizados”.

 Manejo y explotación de bases de datos.

 Gran variedad de funciones implementadas que abarcan la explotación del sistema

en las esferas de: automatización, control del proceso, monitoreo, ingeniería

(simulación y parametrización), diagnóstico y ayuda, administración, etc.

2.1.2 Ventajas

 Permite aumentar la capacidad productiva al eliminar o reducir los tiempos de

descanso, consiguiendo una producción continua.

 Mantiene la promesa sobre los tiempos de entrega.

 Incrementa el grado de homogeneidad en la producción al reducir el margen de

error en tareas de rutina, lo que se traduce en calidad.

 Favorece el control y la mensurabilidad de la producción.

 Reducción de costos de producción; por tanto, aumento de ROI en el proceso

productivo.

 Enfoque de los recursos humanos en tareas creativas, deslindándose de las tareas

monótonas y repetitivas.

2.1.3 Desventajas

 Requiere una fuerte inversión inicial con retornos tardíos de inversión y conlleva

costos de mantenimiento preventivo periódico.

 Específicamente en tecnología, hay una alta propensión a la obsolescencia,

pudiendo generar una inversión no fructífera.

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 Implica un cambio que puede provocar una cierta resistencia en algunos sectores

de la organización; necesita un tiempo de adaptación.

2.2 Estrategias de control

Las estrategias de control y los algoritmos son los encargados de mantener una variable

controlada para operar dentro de rangos aceptables y cumplir las funciones deseadas. Por

ejemplo, una unidad paquete mantiene confortable el espacio controlando, los niveles de

temperatura, humedad y ventilación.

La operación automática de un sistema de control permite el encendido, apagado,

modulación y arranque secuencial de equipos mecánicos y eléctricos para cumplir con el

enfriamiento, calefacción y ventilación del espacio, a través de los controladores y

horarios dependiendo de los requerimientos del usuario final.

2.2.1 Lazo cerrado

Es aquel sistema en el cual la acción de control depende de la salida. Dicho sistema

utiliza un sensor que detecta la respuesta real para compararla, entonces, con una

referencia a manera de entrada. Por esta razón, los sistemas de lazo cerrado se denominan

sistemas retroalimentados. El término retroalimentar significa comparar; en este caso, la

salida real se compara con respecto al comportamiento deseado, de tal forma que si el

sistema lo requiere se aplica una acción correctora sobre el proceso por controlar [7].

Ejemplo de Lazo Cerrado. A continuación, vemos el ejemplo de un sistema de control

en lazo cerrado de la caldera, en esta estructura el controlador puede conocer en todo

momento el valor de la temperatura y podrá actuar sobre la válvula siempre que sea

necesario.

2.2.2 Lazo abierto

Figura 2. Lazo Cerrado

Es aquel sistema en el cual la acción de control es, en cierto modo, independiente de la

salida. Este tipo de sistemas por lo general utiliza un regulador o actuador con la finalidad

de obtener la respuesta deseada. La capacidad que tales sistemas tienen para ejecutar una

acción con exactitud depende de su calibración. En general, los sistemas de lazo abierto

están regulados por base de tiempo [7].

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Ejemplo de lazo abierto. El controlador configurado en Lazo Abierto para controlar esta

caldera, será un operario (una persona) el cual, gracias a su conocimiento del proceso,

será el encargado de abrir o cerrar la válvula, con el objetivo que la temperatura alcance

en la salida 70 grados centígrados.

Figura 3. Lazo abierto

2.3 Elementos del sistema de control

Un sistema de control automático es una interconexión de elementos que forman una

configuración denominada sistema, de tal manera que el arreglo resultante es capaz de

controlar se por sí mismo [7].

2.3.1 Sistema

Un sistema es una combinación de componentes que actúan juntos y realizan un

objetivo determinado. Un sistema no está necesariamente limitado a los sistemas físicos

[9].

2.3.2 Actuador

Es el dispositivo que recibe como entrada la acción de control, la cual usa para

modificar su salida, la cual es la variable manipulada.

2.3.3 Sensor

Es un dispositivo que a partir de la energía del medio en el que se mide, proporciona

una señal de salida traducible que es en función de la magnitud que se pretende medir [6].

Figura 4. Sensores

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2.3.4 Controlador

Es aquel instrumento que compara el valor medido con el valor deseado, en base de

esta operación calcula un error, para luego actuar con el fin de corregir el error [6].

2.3.5 Set Point

Punto en que una señal se establece bajo ciertos parámetros deseados. Es un punto de

consigna para valor de la señal de la variable.

Figura 5. Set point

2.3.6 Variables de control

Es una variable que se mantiene constante o bajo control durante la ejecución de un

experimento de tal forma que su variación no invalide los resultados del mismo.

2.3.7 Variables de salida

Son las características de calidad en las que se reflejan los resultados obtenidos por un

proceso.

2.3.8 Planta

Una planta puede ser una parte de un equipo, tal vez un conjunto de los elementos de

una máquina que funcionan juntos, y cuyo objetivo es efectuar una operación particular

[9]. En este libro se llamará planta a cualquier objeto físico que se va a controlar (como

un dispositivo mecánico, un horno de calefacción, un reactor químico o una nave

espacial).

2.3.9 Proceso

El Diccionario Merriam-Webster define un proceso como una operación o un

desarrollo natural progresivamente continuo, marcado por una serie de cambios graduales

que se suceden unos a otros de una forma relativamente fija y que conducen a un resultado

o propósito determinados; o una operación artificial o voluntaria que se hace de forma

progresiva y que consta de una serie de acciones o movimientos controlados,

sistemáticamente dirigidos hacia un resultado o propósito determinado.

2.3.10 Perturbaciones

Una perturbación es una señal que tiende a afectar negativamente el valor de la salida

de un sistema [9].

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2.3.11 Realimentación

Es una propiedad de los sistemas que permiten que la salida del sistema o cualquier

variable del mismo sea comparada con la entrada al sistema o con cualquier componente

del sistema, de tal manera que pueda establecerse la acción de control apropiada entre la

entrada y la salida.

2.4 Controladores

2.4.1 ON – OFF

Es aquel en el que el elemento final de control sólo tiene dos posiciones: Encendido-

Apagado, a diferencia de otro tipo de control cuya acción es proporcional con respecto al

error [7].

2.4.2 Proporcional

Actúa como una salida del controlador que es proporcional al error, es decir: 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃.

𝑒(𝑡), que descripta desde su función transferencia queda: 𝐶𝑝 (𝑠) = 𝐾𝑝

Donde 𝐾𝑝 es una ganancia proporcional ajustable. Un controlador proporcional puede

controlar cualquier planta estable, pero posee desempeño limitado y error en régimen

permanente (off-set).

2.5 PLC (Programmable Logic Controller)

EL PLC es un aparato electrónico operado digitalmente que usa una memoria

programable para el almacenamiento interno de instrucciones las cuales implementan

funciones específicas tales como lógicas, secuénciales, temporización, conteo y

aritméticas, para controlar a través de módulos de entrada /salida digitales y analógicas,

varios tipos de máquinas o procesos. Una computadora digital que es usada para ejecutar

las funciones de un controlador programable, se puede considerar bajo este rubro. Se

excluyen los controles secuenciales mecánicos. De una manera general podemos definir

al controlador lógico programable a toda máquina electrónica, diseñada para controlar en

tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales de control. Su programación y

manejo puede ser realizado por personal con conocimientos electrónicos sin previos

conocimientos sobre informática [4].

Figura 6. Diagrama Básico de un PLC.

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2.5.1 Funcionamiento

El PLC ejecuta la lógica escrita por el usuario y las rutinas de verificación internas [3].

2.6 HMI (Human Machine Interface)

Una interfaz Hombre - Máquina o HMI ("Human Machine Interface") es el aparato que

presenta los datos a un operador (humano) y a través del cual éste controla el proceso

[10].

Figura 7. Diagrama Básico de un HMI/Interfaz Hombre Máquina.

2.6.1 Funciones

Monitorización. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en tiempo real.

Estos datos se pueden mostrar como números, texto o gráficos que permitan una lectura

más fácil de interpretar [1].

Supervisión. Esta función permite junto con la monitorización la posibilidad de ajustar

las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora [1].

Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del proceso y

reportarlo estos eventos. Las alarmas son reportadas basadas en límites de control

preestablecidos [1].

Control. Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores del proceso y así

mantener estos valores dentro de ciertos límites. Control va más allá del control de

supervisión removiendo la necesidad de la interacción humana. Sin embargo, la

aplicación de esta función desde un software corriendo en una PC puede quedar limitada

por la confiabilidad que quiera obtenerse del sistema [1].

Históricos. Es la capacidad de muestrear y almacenar en archivos, datos del proceso a

una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es una poderosa herramienta

para la optimización y corrección de procesos [1].

2.6.2 Tipos de HMI

 HMI de Alto Rendimiento

 Pantallas táctiles y dispositivos móviles

 Hmi de red y de iCloud

3. METODOLOGÍA

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El enfoque metodológico adoptado en esta investigación fue de tipo cuantitativo,

combinando una investigación de campo con una técnica específica de recolección de

datos. Esta estrategia permite obtener información precisa y objetiva sobre el tema en

estudio [12].

Los datos fueron recolectados directamente en el contexto donde surge la problemática

que se investiga. Este enfoque directo brindó una comprensión profunda de la necesidad

de implementar módulos de entrenamiento profesional en el área de automatización

industrial dentro del Instituto Tecnológico Universitario ISMAC, especialmente dirigidos

a la carrera de tecnología en electromecánica.

Al realizar la recolección de datos en el lugar mismo de la problemática, se logró una

visión holística de las demandas y requerimientos específicos de la institución y los

estudiantes involucrados. Este enfoque directo y contextualizado asegura que las

soluciones propuestas estén íntimamente alineadas con las necesidades reales

identificadas en el terreno, garantizando así una intervención efectiva y pertinente.

4. RESULTADOS

4.1 Diseño Mecánico

Para la elaboración del diseño mecánico se utilizó el programa Sketchup 2018 que es

un programa de software de diseño de alta calidad en modelado 3D en el cual se realizó

el prototipo que se detalla a continuación:

4.1.1 Prototipo

Figura 8. Diseño Mecánico

El prototipo que se eligió para el presente trabajo cumple con todos los requisitos

establecidos, de tal forma que los estudiantes puedan visualizar los elementos que se

muestran en el prototipo.

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Figura 9. Prototipo

Dentro de este prototipo se estableció correctamente la distribución de sus elementos.

Por consiguiente, se procedió con el desarrollo de la primera etapa del módulo;

ensamblaje y pintura.

4.2 Estructura Metálica

Para formar su estructura se utilizó un Tubo acero negro cuadrado estructural con las

siguientes características:

 Norma de fabricación NTE INEN 2415

 Calidad SAE J 403 1008,

 Espesor de 1,20mm.

4.2.1 Ensamble por soldadura

Para el ensamble correcto de la estructura se utilizó dos tipos de suelda:

Suelda TIG. Es un proceso autógeno en el que el calor se produce por un arco que choca

entre la pieza de trabajo y un electrodo infusible (un electrodo que no se consume). El

electrodo está hecho de tungsteno o aleaciones de tungsteno.

Suelda MIG. Conocido también como GMAW (Soldadura de Arco Metálico con Gas).

Usa un gas inerte para su protección de la atmósfera circundante. De ahí derivan las

iniciales MIG (Metal Inert Gas). Este tipo de soldadura consiste en mantener un arco de

electrodo consumible de hilo sólido y la pieza que se va a soldar. El arco y el baño de

soldadura están protegidos mediante un gas inerte. El electrodo que usamos se alimenta

continuamente por una pistola de soldadura.

4.3 Diseño Electrónico

Para el diseño electrónico se utilizó los siguientes elementos:

4.3.1 PLC Delta DVP20SX2

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Figura 10. PLC DELTA

Características

 Modelo analógico con control PID altamente eficiente

 CPU de 32 bits para procesamiento de alta velocidad

 Capacidad del programa: 16 k pasos

 Máx. velocidad de ejecución de instrucciones básicas: 0,35 μs

 4 entradas analógicas incorporadas / 2 salidas analógicas

 Puertos mini USB, RS-232 y RS-485 integrados (maestro/esclavo)

 Admite el protocolo estándar Modbus ASCII/RTU y la función PLC Link

 Función PID Auto Tuning para un control PID altamente eficiente

 No requiere batería

 Admite módulos de la serie DVP-S (lado izquierdo y lado derecho)

 Funciones de control de movimiento

 4 puntos de salida de pulsos de alta velocidad: 100 kHz / 2 puntos, 10 kHz / 2

puntos

 8 puntos de entrada de pulsos de alta velocidad: 100 kHz / 2 puntos, 10 kHz / 6

puntos.

 Partes del PLC.

 Figura 30

 Partes del PLC

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Figura 11. Características PLC DELTA

Medidas

4.3.2 HMI DOP-103WQ

Figura 12. Medidas del PLC

Figura 13. HMI

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Características físicas

 Pantalla 4.3” (480x272) 65536 colores TFT

 CPU Cortex-A8 de 800Mhz

 512 MB de RAM

 256 MB de ROM

 Puerto ethernet incorporado

 1 Conjunto de puertos COM/1 puerto de extensión

 Puerto USB

 Multilenguaje

 Aislamiento de energia

 Interfaz de comunicación Aislada

 Recubrimiento de PBC

 Permite la conexión de Cámaras Analógicas

Integración

Características especiales

Figura 14. Integración del HMI

Figura 15. Características especiales del HMI

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4.4 Diagrama Eléctrico

Para la realización del diagrama eléctrico se utilizó el programa Proficad en el cual se

determinó las conexiones y los elementos a utilizar:

Figura 16. Diagrama elaborado en Proficad

4.5 Módulo de entrenamiento

Una vez realizadas las conexiones y el ensamblaje de todos los componentes se realizó

la prueba para verificar su funcionamiento teniendo como resultado el módulo de

entrenamiento el cual cumple con todos los requisitos que se buscaba al iniciar el

proyecto:

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Figura 17. Módulo de entrenamiento

5. DISCUSIÓN

En primer lugar, se destaca la creciente relevancia de la automatización en la industria

moderna, donde la optimización de procesos y la eficiencia operativa son fundamentales

para la competitividad. En este contexto, los módulos de entrenamiento técnico

profesional de automatización juegan un papel crucial al proporcionar a los estudiantes y

profesionales las habilidades y conocimientos necesarios para enfrentar los desafíos

tecnológicos actuales y futuros.

Además, se discute cómo estos módulos no solo benefician a los estudiantes, sino

también a las instituciones educativas y a las empresas. Por un lado, permiten a los

estudiantes adquirir experiencia práctica y especializada en el campo de la

automatización, lo que los hace más empleables y preparados para satisfacer las demandas

del mercado laboral. Por otro lado, las instituciones educativas que implementan estos

módulos pueden mejorar su oferta académica y fortalecer su reputación como centros de

excelencia en formación técnica.

Asimismo, se analizan los diferentes componentes y metodologías de estos módulos,

destacando la importancia de combinar teoría y práctica, así como de utilizar tecnologías

de vanguardia, como PLC (Controladores Lógicos Programables) y HMI (Interfaz

Hombre-Máquina), para garantizar una formación integral y actualizada.

6. CONCLUSIONES

Se ha detallado la funcionalidad de cada elemento que conforma nuestro módulo de

entrenamiento técnico-profesional, lo cual representa una contribución significativa. Esta

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descripción exhaustiva nos ha permitido fundamentar, con bases teóricas sólidas, que los

componentes seleccionados serán altamente beneficiosos para los estudiantes de la

Carrera de Electromecánica.

Se ha elaborado un módulo de entrenamiento técnico-profesional exclusivamente para

el Instituto ISMAC, utilizando software de diseño asistido por computadora. Esta

metodología ha posibilitado la creación de un prototipo óptimo que satisface tanto los

requisitos de desarrollo como los de ejecución, aprovechando las avanzadas herramientas

que proporciona este tipo de software.

Los módulos de entrenamiento técnico profesional de automatización son una inversión

valiosa que proporciona beneficios tangibles a todas las partes involucradas,

contribuyendo al desarrollo y la excelencia en el campo de la automatización industrial.

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