Sistema-de-control-de-temperatura-para-el-proceso-de-cristalizacion-de-bezafibrato

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA 
DE MEXICO 
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES 
CUAUTITLAN 
 
 
 
SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA PARA EL 
PROCESO DE CRISTALIZACION DE BEZAFIBRATO 
 
 
 
T E S I S 
 
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: 
INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA 
 
PRESENTA: 
JORGE ALBERTO PALOMO CARRASCO 
 
ASESOR: ING. JUAN ANTONIO PRECIADO VALTIERRA 
 
 
 
CUAUTITLAN IZCALLI, EDO. DE MEX. 2011 
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respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
 
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[3] 
 
GRACIAS... 
 
A mi madre: 
Por apoyarme en todo momento, por ser la única persona que siempre está conmigo 
de forma incondicional, por impulsarme siempre hacia adelante. Este logro también es 
tuyo. Con gran cariño respeto y admiración, muchas gracias. 
 
A mi padre: 
Por nunca dejarme desviarme del camino, por el sacrificio que hiciste por sacar 
adelante a la familia., por los valores que me infundiste, con gran aprecio, estima y 
profundo cariño, muchas gracias. 
 
 A la U.N.A.M. y a la F.E.S. CUAUTITLAN: 
 Por darme la oportunidad de pertenecer a esta máxima casa de estudios, 
brindándome los conocimientos que será utilizado en el porvenir de nuestro país y por 
ayudar a conformar el profesionista que soy hoy. 
 
A mis hermanos OSCAR y NELLY YOLANDA: 
 Por estar siempre conmigo en los momentos más difíciles y maravillosos que dios 
nos ha permitido vivir juntos, por ser los mejores hermanos. Los quiero mucho. 
 
A mi asesor: 
 Por formar parte de esta casa de estudios. Por ayudarme y guiarme para la 
culminación de mi carrera, por el apoyo incondicional para el logro de mi objetivo. Muchas 
gracias. 
 
A los Ingenieros Saúl Esperilla, Pedro Landín y Alejandro Maldonado: 
 Por su amistad y gran confianza depositada en mi, por darme la oportunidad de 
hacer mis prácticas profesionales, por las grandes lecciones sobre la vida y la profesión, por 
enseñarme lo maravilloso de la ingeniería y porque sin su ayuda no hubiese logrado lo que 
hoy. Con afecto, Gracias. 
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[4] 
 
ÍNDICE 
Págs. 
 
INTRODUCCIÓN. 7 
CAPÍTULO I 
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA PARA LA CRISTALIZACIÓN. 
1.1. Cristalización. 9 
1.1.1 Etapas de la cristalización. 10 
1.2. Cristalizadores. 11 
1.2.1. Tipos de cristalizadores. 13 
1.3. Sistema de temperaturas del cristalizador. 14 
1.3.1. Operación del sistema. 16 
1.4. Hardware. 17 
1.5. Software. 20 
1.6. Desarrollo del sistema de control. 21 
1.6.1. Diagramas eléctricos. 23 
CAPÍTULO II 
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DEL SISTEMA. 
2.1. Controladores lógicos programables (PLC). 27 
2.1.1. Tipos de PLC. 28 
2.1.2. Partes de un PLC. 28 
2.1.3. Lenguajes de programación. 33 
2.1.4. Áreas de memoria. 36 
2.1.5. Tiempo de SCAN. 36 
2.1.6. Instrucciones básicas del PLC. 36 
2.2. Interface Hombre Maquina (HMI). 40 
2.2.1. Tipos de interface. 40 
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[5] 
 
2.2.2. Software HMI. 41 
2.3. Control de temperatura. 43 
2.3.1. Sensores de temperatura. 50 
2.3.2. Control de temperatura E5AK. 56 
2.4. Electroválvula. 58 
2.4.1. Tipos de electroválvulas por accionamiento. 58 
2.5. Válvula proporcional . 62 
2.5.1. Clasificación. 62 
2.5.2. Válvula proporcional de caudal. 63 
2.5.2.1. Funcionamiento 64 
2.5.3. Válvula proporcional de presión. 65 
2.5.3.1. Funcionamiento. 66 
CAPÍTULO III 
COMUNICACIÓN. 
3.1. Puertos de comunicación. 69 
3.1.1. Puerto paralelo. 69 
3.1.2. Puerto Serial. 71 
3.1.3. Puerto USB (Universal Serial Bus). 73 
3.1.4. Puerto RJ-45. 74 
3.2. Protocolos de comunicación estándares. 75 
3.2.1. RS-232. 76 
3.2.2. RS-422. 77 
3.2.3. RS-485. 77 
3.2.4. TCP/IP. 79 
3.2.5. Protocolos Industriales. 82 
3.2.5.1. PROFIBUS. 82 
3.2.5.2. SYSMAC-WAY. 82 
3.2.5.3. FUDATION FIELDBUS. 83 
3.2.5.4. ETHERNET INDUSTRIAL. 84 
3.3. Comunicación entre el PLC y HMI 85 
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[6] 
 
3.4. Comunicación entre el PLC y control de temperatura. 89 
3.4.1. Formatos de datos para la comunicación. 90 
3.4.1.1. Datos de respuesta. 92 
3.4.1.2. Datos de lectura del PV. 93 
3.4.1.3. Datos de escritura del SV. 94 
3.4.2. Instrucciones de comunicación del PLC. 95 
 
CAPÍTULO IV 
PROGRAMACIÓN. 
4.1. Programación HMI. 98 
4.2. Programación del PLC. 111 
4.3. Programación del control de temperatura. 140 
CONCLUSIONES. 145 
GLOSARIO. 147 
BIBLIOGRAFÍA. 150 
 
 
 
 
 
 
 
 
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[7] 
 
 
INTRODUCCIÓN 
La presente obra se trata de cómo se implemento un sistema de control para 
monitorear y controlar de manera remota las temperaturas de un cristalizador. Esta 
implementación nació de la necesidad de la empresa “SINBIOTIK S.A de C.V.” por 
controlar las temperaturas de uno de sus dispositivos de cristalización de forma segura y 
confiable para el operador. 
Este sistema se desarrolló de la siguiente forma: levantamiento de dispositivos que 
controlan el sistema de calentamiento y enfriamiento del cristalizador, después se planteo 
los dispositivos necesarios para el control del sistema de temperaturas del cristalizador de 
forma remota con la ayuda de los datos obtenidos en el levantamiento. Se hizo un diagrama 
eléctrico como apoyo a la integración de los dispositivos, así como de un planteamiento 
para el funcionamiento del sistema para posteriormente complementar la integración a 
través del software. 
Capítulo I Es un marco general del cristalizador y de sus dispositivos encargados del 
control del proceso de temperaturas. También se establece los dispositivos necesarios para 
implementar el sistema de control conforme a los objetivos y funcionamiento del sistema. 
Capítulo II Se mencionan las características básicas de cada uno de los dispositivos 
que formaron parte del control del proceso, como ayuda al lector de esta obra e introducirlo 
a conocer el funcionamiento de los dispositivos antes de hacer la integración del sistema en 
los capítulos posteriores. 
Capítulo III Se demuestra cómo se establece una comunicación entre los 
dispositivos que controlaran el proceso del control de temperaturas logrando esto a través 
de la configuración por softwarey hardware. 
Capítulo IV Se desarrollo la programación de los dispositivos de control a través del 
software y para terminar la integración de todos los elementos involucrados del sistema. 
 
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[8] 
 
Derivado de lo anterior, se demuestra que con este sistema implementado se puede 
controlar y monitorear de forma segura las temperaturas del sistema de un cristalizador, 
para el proceso de cristalización del medicamento bezafibrato. 
El bezafibrato es un medicamento capaz de disminuir los niveles de colesterol y 
triglicéridos en la sangre, mediante la disminución de su fabricación en el hígado y el 
aumento de su eliminación. 
Puede prevenir los problemas circulatorios causados por la acumulación de estas 
sustancias en las venas y arterias del organismo. Así como de la prevención de infartos y 
reduce los síntomas de claudicación intermitente (dolor en extremidades inferiores a causa 
de una obstrucción arterial crónica). 
Se utiliza en el tratamiento de los niveles elevados de colesterol y triglicéridos, 
como complemento de otras medidas no farmacológicas que no resultan suficientes 
(ejercicio, pérdida de peso, dieta), o en organismo con enfermedades degenerativas del 
metabolismo para sintetizar las grasas. 
Este medicamento es comercializado en forma oral de bezafibrato (comprimidos de 
200mg y 400mg). 
 
 
 
 
 
 
 
 
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[9] 
 
CAPÍTULO I FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA PARA LA CRISTALIZACIÓN 
1.1 CRISTALIZACIÓN 
Definimos cristalización como el proceso mediante el cual se separa un componente 
de una solución líquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que se 
precipitan. Esta operación se utiliza con frecuencia en la industria para la purificación de 
las sustancias que, generalmente se obtienen acompañadas de impurezas. Toda sal o 
compuesto químico disuelto en algún disolvente en fase líquida puede ser precipitada por 
cristalización bajo ciertas condiciones de concentración y temperatura que el Ingeniero 
Químico debe establecer dependiendo de las características y propiedades de la solución, 
principalmente la solubilidad, concentración, saturación, temperatura, etc. 
Una vez concretada la definición de Cristalización, procederemos a explicar los 
aspectos más importantes de dicha operación. 
a) Magma: Es la disolución de la mezcla bifásica formada por las aguas 
madres y los cristales de todos los tamaños, contenida en un cristalizador y 
que se obtiene como producto. 
b) Pureza del producto: Un cristal perfectamente formado es totalmente puro, 
pero cuando se retira del magma, retiene aguas madres por quedar ocluidas 
en el interior de la masa de los sólidos. Cuando las aguas madres retenidas, 
que son de baja pureza, se secan sobre el producto, se produce 
contaminación, cuyo alcance depende de la cantidad y grado de impureza de 
las aguas madres retenidas por los cristales. En la práctica, una gran cantidad 
de las aguas madres retenidas se separan de los cristales por filtración o 
centrifugación, lavando con disolvente. La eficacia de estas etapas de 
purificación depende del tamaño y uniformidad de los cristales. 
c) Equilibrios y Rendimientos: El equilibrio en los procesos de cristalización 
se alcanza cuando la disolución está saturada y la relación de equilibrio para 
los cristales grandes es la curva de solubilidad. 
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[10] 
 
Rendimientos: En muchos procesos industriales de cristalización, los 
cristales y las aguas madres están en contacto suficiente tiempo para 
alcanzar el equilibrio y las aguas madres están saturadas a la temperatura 
final del proceso. El rendimiento del proceso se puede calcular entonces a 
partir de la concentración de la disolución original y la solubilidad para la 
temperatura final. Si durante el proceso se produce una evaporación 
apreciable, ésta debe de ser conocida o estimada. Cuando la velocidad de 
crecimiento de los cristales es lenta se requiere un tiempo considerable para 
alcanzar el equilibrio (disoluciones viscosas) de forma que hay poca 
superficie de cristales expuesta a la disolución sobresaturada. En tales 
situaciones las aguas madres finales pueden retener una apreciable 
sobresaturación y el rendimiento real será menor que el calculado a partir de 
la curva de solubilidad. 
d) Tamaño de los cristales: No cabe duda que un buen rendimiento y una 
elevada pureza son dos objetivos importantes de la cristalización, pero el 
aspecto y el intervalo de tamaños del producto cristalino es también 
importante. Si los cristales intervienen en un proceso posterior, para 
filtración, lavado, reacción con otros productos químicos, transporte y 
almacenamiento, es deseable que su tamaño sea adecuado y uniforme. Si los 
cristales se comercializan como un producto acabado, la aceptación por los 
consumidores exige cristales individuales resistentes de tamaño uniforme, 
que no formen agregados y que no se aglomeren en el envase. Por estas 
razones es preciso controlar la distribución del tamaño de los cristales, y éste 
es uno de los principales objetivos en el diseño y operación de 
cristalizadores. 
1.1.1 Etapas de la cristalización: 
En toda formación de cristales hay que considerar dos etapas: 
1. Nucleación: Formación de los primeros iones a partir de los iones o 
moléculas que se encuentran en el seno de la disolución. Puede ser que estos 
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[11] 
 
primeros cristales que se forman, se destruyan debido a un proceso inverso a 
la Nucleación. Dentro de esta etapa podemos clasificarla en primaria y 
secundaria. 
a) Primaria: Es aquella en la que el origen de la nueva fase 
sólida no está condicionada ni influida por la presencia de la 
fase sólida que se origina. 
b) Secundaria: La Nucleación secundaria designa aquel proceso 
de formación de cristales de la nueva fase que está 
condicionado por la presencia de partículas de la misma fase 
en el sistema sobresaturado y por cuya causa ocurre. 
2. Crecimiento: Etapa del proceso de solidificación donde los átomos del 
líquido se unen al sólido formando las grandes estructuras cristalinas como 
se muestra en la figura 1.1.1. 
 
Figura1.1.1 Crecimiento de los cristales 
1.2 CRISTALIZADORES 
Dado que en muchos casos, el producto que sale a la venta de una planta, tiene que 
estar bajo la forma de cristales, la cristalización es importante como proceso industrial por 
los diferentes materiales que son y pueden ser comercializados en forma de cristales. Su 
empleo tan difundido se debe probablemente a la gran pureza y la forma atractiva del 
producto químico sólido, que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras 
en un solo paso de procesamiento. Los cristales se han producido mediante diversos 
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[12] 
 
métodos de cristalización que van desde los más sencillos que consisten en dejar reposar 
recipientes que se llenan originalmente con soluciones calientes y concentradas, hasta 
procesos continuos rigurosamente controlados y otros con muchos pasos o etapas diseñados 
para proporcionar un producto que tenga uniformidad en la forma, tamaño de la partícula, 
contenido de humedad y pureza. Las demandas cada vez mas crecientes de los clientes 
hacen que los cristalizadores sencillos por lotes se estén retirando del uso, ya que lasespecificaciones de los productos son cada vez más rígidas. En términos de los 
requerimientos de energía, la cristalización requiere mucho menos para la separación que lo 
que requiere la destilación y otros métodos de purificación utilizados comúnmente. Además 
se puede realizar a temperaturas relativamente bajas y a una escala que varía desde unos 
cuantos gramos hasta miles de toneladas diarias. La mayor parte de las aplicaciones 
industriales de la operación incluyen la cristalización a partir de soluciones. 
En la cristalización, la transferencia de calor y de materia juegan un papel 
importantísimo, dado que para poder ser transferido a la fase sólida, es decir, cristalizar un 
soluto, cualquiera debe eliminar su calor latente o entalpía de fusión, por lo que el estado 
cristalino además de ser el más puro, es el de menor nivel energético de los tres estados 
físicos de la materia en el que las moléculas permanecen inmóviles unas respecto a otras 
formando estructuras en el espacio con la misma geometría, sin importar la dimensión del 
cristal. En este proceso una sustancia sólida con una cantidad muy pequeña de impurezas, 
se disuelve en un volumen mínimo de disolvente (caliente si la solubilidad de la sustancia 
que se pretende purificar aumenta con la temperatura). A continuación la disolución se deja 
enfriar muy lentamente, de manera que los cristales que se separen sean de la sustancia 
pura, y se procede a su filtración. El filtrado, que contiene todas las impurezas, se suele 
desechar. 
Después de la adición del agente precipitante a la solución analizada, hay un 
período de inducción antes de que ocurra la Nucleación. Este período de inducción puede 
variar desde que sea un proceso extremadamente rápido a un proceso que dure algunos 
minutos. Después ocurre la Nucleación, donde pequeños agregados de partículas se forman 
y constituyen los “núcleos” de las partículas de mayor tamaño que formarán los cristales, 
haciendo que las especies que forman a la sustancia que precipita se congreguen a su 
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[13] 
 
alrededor. Posterior a la Nucleación ocurre el crecimiento de los cristales, creciendo los 
cristales más grandes a costa de los pequeños, que se disuelven. Si la Nucleación es más 
rápida que el crecimiento de los cristales, se forma un número grande de pequeños 
agregados, mientras que si el crecimiento de los cristales es más rápido que la Nucleación, 
se formarán pocos agregados, que serán grandes y cristalinos. 
1.2.1 Tipos de cristalizadores: 
1. Enfriamiento: de una disolución en la que la solubilidad de ese componente 
aumente con la temperatura (éste es el caso más general) o calentamiento de 
una disolución donde la solubilidad del componente disminuya al aumentar 
la temperatura. Presenta la desventaja que en sistemas muy solubles 
permanece aún mucho soluto en el disolvente. El enfriamiento puede 
realizarse indirectamente por convección natural, encamisados, tubos 
intercambiadores de calor, etc. El empleo de métodos de enfriamiento por 
contacto directo evita los problemas de incrustaciones en las superficies de 
transferencia de calor. El refrigerante puede ser un sólido, un líquido o un 
gas y el calor es extraído por transferencia de calor sensible o calor latente. 
2. Evaporación de disolvente: Cuando la solubilidad de un soluto en el 
disolvente no varía apreciablemente con la temperatura se puede conseguir 
la sobresaturación eliminando disolvente. 
3. Cristalización a vacío: Se realiza un enfriamiento flash debido a una 
evaporación adiabática del disolvente, la sobresaturación se obtiene por 
evaporación y enfriamiento simultáneos de la corriente de alimentación 
cuando ésta entre en el cristalizador debido a la baja presión existente en el 
interior del mismo. 
4. Precipitación por mezcla directa o reacción química: Precipita un 
producto sólido como resultado de la reacción química entre gases y/o 
líquidos. La precipitación sucede debido a que las fases gaseosas o líquidas 
se sobresaturan respecto al componente sólido. Esta precipitación puede 
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[14] 
 
transformarse en un proceso de cristalización realizando un control 
cuidadoso del grado de sobresaturación. La elección del método de mezcla 
de los reactivos es muy importante y resulta clave evitar zonas de excesiva 
sobresaturación. La secuencia de mezcla de los reactivos puede ser de 
importancia crítica. 
5. Drowning-out. Una disolución puede sobresaturarse, respecto a un soluto 
dado, añadiendo una sustancia que reduzca la solubilidad del soluto en el 
disolvente. La sustancia añadida, que puede ser líquido, sólido o gas se suele 
denominar precipitante. 
1.3 SISTEMA DE TEMPERATURAS DEL CRISTALIZADOR 
En nuestro cristalizador se mesclara el compuesto químico de bezafibrato en fase 
liquida con agua hasta obtener una solución saturada, una vez disuelto el bezafibrato se 
calentara la solución para evaporar parte del disolvente y obtener una solución 
sobresaturada y formar los primeros cristales. Posteriormente, se puede conseguir que la 
disolución cristalice mediante un enfriamiento controlado y el agua se enriquezca de las 
impurezas presentes en la mezcla inicial al no alcanzar su solubilidad. 
El sistema de enfriamiento y calentamiento que se controlara en este trabajo es para 
un cristalizador de tipo Enfriamiento y este enfriamiento se hace a través de un 
encamisado como se visualiza en la figura 1.3.1. Este cristalizador está compuesto de un 
recipiente (1), que tiene una camisa (2) para el sistema de enfriamiento con una boca de 
entrada para el liquido refrigerante (6) y una boca de salida del mismo liquido (7), una tapa 
(3) con una boca central para el eje del agitador (4), una boca (5) para la adición del 
material y una boca de salida (8) del material después de la cristalización. 
 
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[15] 
 
 
Figura 1.3.1 Cristalizador tipo enfriamiento encamisado 
El sistema de enfriamiento está compuesto por válvulas proporcionales, 
electroválvulas que gobiernan a las válvulas de paso ON-OFF para alimentar los servicios 
de enfriamiento, drenar y retornar los líquidos de enfriamiento. Este sistema se puede 
visualizar en la figura 1.3.2. Los líquidos de enfriamiento para este cristalizador son tres 
diferentes: 
1. Agua de torre 
2. Agua enfriada 
3. Anticongelante glicol 
El agua de torre viene de un deposito que almacena agua a temperatura ambiente 
este es el primer liquido que entra a la camisa al iniciar el enfriamiento del cristalizador. El 
segundo líquido que entrara al sistema es agua enfriada que proviene de un sistema de 
refrigeración llamado CHILLER este se encuentra entre los 20 y 10 grados centígrados y el 
último líquido de enfriamiento es un anticongelante llamado glicol que proviene de un 
sistema de enfriamiento que se encuentra entre los 10 y -5 grados centígrados. Así mismo 
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[16] 
 
para calentar el cristalizador se tiene añadido las válvulas de paso (ON, OFF) y la válvula 
proporcional de vapor para calentar el cristalizador a través de la camisa con la que se hace 
el enfriamiento. 
 
Figura 1.3.2 Sistema de enfriamiento y calentamiento del cristalizador 
1.3.1 Operación del sistema: 
El ingeniero químico va a monitorear y controlar las temperaturas a distancia del 
proceso a través una Interface Hombre Maquina en la cual se le introducirá las 
temperaturas de calentamientoy de enfriamiento. Una vez ya determinadas las 
temperaturas el ingeniero iniciara el calentamiento por medio de la interface. El control 
llevara el sistema a la temperatura de calentamiento controlando las válvulas de vapor y 
mantendrá la temperatura constante; la interface indicara que estará lista para el 
enfriamiento y el tiempo que lleva en la temperatura (SET POINT). 
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[17] 
 
El ingeniero decidirá qué tiempo deberá estar en el SET POINT para que se 
sobresature la solución, una vez que pase este tiempo el operador iniciara el enfriamiento 
por medio de la interface; el control lo que hará en este punto es dejar de calentar e iniciará 
el enfriamiento con agua de torre, después con agua enfriada y al final con el glicol 
dependiendo la temperatura de enfriamiento final que se haya determinado y la mantendrá 
constante hasta que el ingeniero detenga el proceso con la interface. 
1.4 HARDWARE 
 Definimos como HARDWARE a todas las partes tangibles de una computadora: sus 
componentes eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos; sus cables, gabinetes 
o cajas, periféricos de todo tipo y cualquier otro elemento físico involucrado; 
contrariamente, el soporte lógico es intangible y es llamado SOFTWARE. 
 Para lograr los objetivos de controlar el proceso de calentamiento y enfriamiento del 
cristalizador. Así como de controlar esto de manera remota. Se escogieron elementos que 
conforme a sus características se van solucionando puntos para la integración y obtener el 
resultado deseado. 
 El primer punto es controlar el proceso de enfriamiento y calentamiento del 
cristalizador y para esto se necesita de un equipo que tenga la característica de controlar y 
también que pueda comunicarse con otro dispositivo de forma remota y para ello en el 
mercado existen infinidad de estos equipos de diferentes marcas este dispositivo se llama 
controlador lógico programable (PLC). 
 El equipo utilizado será un PLC marca OMRON modelo CP1H que tiene la 
característica de tener tarjetas de comunicación de distintos protocolos como se puede 
visualizar en la figura 1.4.1. 
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[18] 
 
 
Figura 1.4.1 Equipo de control OMRON con tarjetas de comunicación 
 Para poder establecer una comunicación entre el operador y el equipo de control 
(PLC) de manera remota se necesita de un dispositivo llamado Interface Hombre 
Máquina. Este equipo tiene las características de enviar la información del operador así 
como de desplegar los datos del PLC. Sin este dispositivo no se podría tener control y 
monitorización del proceso de manera remota. 
Este equipo es una HMI tipo táctil (ver figura 1.4.2) de la marca OMRON también 
es conocida como terminal programable (PT) modelo NS5-SQ00B-V2 con las 
características de comunicación por el puerto RS-232. 
 
Figura 1.4.2 HMI táctil marca OMRON 
 Otro equipo importante y fundamental para lograr nuestros objetivos de monitorear 
y controlar las temperaturas es llamado control de temperatura. Este dispositivo tiene la 
característica de monitorear la señal de un transductor o sensor de temperatura, con este 
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[19] 
 
dispositivo se puede medir la temperatura del cristalizador y nos entregara dos señales 
analógica una de enfriamiento y otra de calentamiento conforme a la programación 
establecida en él, esto es para controlar las válvulas analógicas de enfriamiento y 
calentamiento del sistema. Este dispositivo también tendrá la característica de tener un 
puerto de comunicación RS-422 para establecer la comunicación con el dispositivo del 
control del proceso (PLC). Sin este dispositivo no se podría llevar a cavo el proceso de 
controlar y monitorear las temperaturas del cristalizador con el puerto de comunicación del 
dispositivo (ver figura 1.4.3). 
 El control de temperatura seleccionado para esta operación es uno de la marca 
OMRON modelo: E5AK con las características de comunicación con el protocolo RS-422 
y lectura de sensor de temperatura (RTD). 
 
 
Figura 1.4.3 Control de temperatura 
En el siguiente capítulo se hablara de las características básicas y funcionamiento 
de cada uno de estos dispositivos a si como de los que se encuentran en el sistema del 
proceso de enfriamiento y calentamiento del cristalizador. 
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[20] 
 
1.5 SOFTWARE 
 Definimos que el objetivo del software es desvincular adecuadamente al usuario y 
al programador de los detalles de la computadora. El software del sistema le procura al 
usuario y programador adecuadas interfaces de alto nivel, utilidades de apoyo que permiten 
su mantenimiento y herramientas. Este conjunto de herramientas permiten al 
programador desarrollar programas informáticos, usando diferentes alternativas y lenguajes 
de programación, de una manera práctica. 
 Los software´s a utilizar para la programación de la pantalla y del PLC son: CX-
Designer V3.0 y CX Programer V8.0 respectivamente. Estos software´s son creados por la 
marca OMRON como herramienta para programar sus dispositivos. Estos software´s tienen 
sus compiladores, interpretes, enlazadores y depuradores para poder hacer la programación 
del dispositivo. 
 El software CX Programer versión 8.0 nos permitirá hacer una programación de 
alto nivel para desarrollar un programa de control de nuestro proceso (figura 1.5.1). El 
lenguaje que se utilizara es lenguaje escalera en el siguiente capítulo se hablara a fondo de 
este tipo de lenguajes. 
 El software CX-Designer versión 3.0 (ver figura 1.5.2) es una herramienta para 
programar la pantalla táctil de la familia NS de la marca OMRON. Este software nos 
permitirá programar las pantallas adecuadas para monitorear y controlar el proceso de 
calentamiento y enfriamiento del cristalizador a si como la visualización del 
comportamiento del proceso. 
 
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[21] 
 
 
Figura 1.5.1 Software de programación para el PLC 
 
Figura 1.5.2 Software de programación para la HMI 
1.6 DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL 
 Para controlar y monitorear el proceso de calentamiento y enfriamiento del 
cristalizador de manera remota se tiene que integrar los equipos mencionados 
anteriormente. 
Esta integración será a través de la comunicación entre los dispositivos. Se 
comunicara la HMI con el PLC por medio de una tarjeta opcional RS-232C modelo CP1W-
CIF01con protocolo HOST LINK por el puerto 0 del PLC y por el puerto 1 del dispositivo 
de control (PLC), se comunicara el control de temperatura a través de una tarjeta de 
comunicación RS-422 modelo CP1W-CIF11 con protocolo abierto para que el PLC pueda 
escribir la temperatura de calentamiento, enfriamiento en el control y leer las temperatura 
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[22] 
 
del proceso de el control de temperatura. El sistema de comunicación entre los dispositivos 
será como lo muestra la figura 1.6.1. 
 
Figura 1.6.1 Comunicación de los dispositivos 
Ya establecida la comunicación el PLC controlara las electroválvulas y las señales 
analógicas administradas por el control de temperatura a los actuadores. El control de 
temperatura es el que va a controlar las válvulas proporcionales una vez ya establecidala 
programación del mismo, procesará la señal analógica que le suministre la resistencia 
térmica o PT100 (RTD), junto con la información que le proporcione el control lógico 
programable en especial los SET POINTS. El control mandara dos señales analógicas, una 
de calentamiento y la otra de enfriamiento a las válvulas proporcional ya sea la de vapor o 
de enfriamiento. El PLC conmutara las señales a la válvula proporcional que le 
corresponde activarse en el proceso y la programación que se le establezca al mismo PLC, 
lo va hacer a través de sus contactos de salidas. En la figura 1.6.2 tenemos un esquema 
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[23] 
 
general del sistema de control que se implementara para controlar las temperaturas y 
monitorear el procesos remotamente del cristalizador. 
 
Figura 1.6.2 Esquema general del sistema de control 
1.6.1 Diagramas eléctricos: 
Se ha estado explicando el sistema de control para monitorear y controlar las 
temperaturas de manera remota a través de diagramas unifilares esto lo definimos como la 
representación de todas las partes que componen a un sistema de modo gráfico, completo, 
tomando en cuenta las conexiones que hay entre ellos, para lograr así una forma de 
visualización completa del sistema de la manera más sencilla, indicar las partes que lo 
componen mediante símbolos estándares en lugar de sus circuitos equivalentes. No se 
muestran los parámetros del circuito, y las líneas de trasmisión se representan por una sola 
línea entre dos terminales. A este diagrama simplificado de un sistema eléctrico se le llama 
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[24] 
 
diagrama unifilar o de una línea. Éste indica, por una sola línea y por símbolos estándares, 
cómo se conectan las líneas de transmisión con los aparatos asociados de un sistema 
eléctrico o electrónico. El propósito de un diagrama unifilar es el de suministrar en forma 
concisa información significativa acerca del sistema. 
Pero para la integración es necesario apoyarnos de una herramienta llamada 
diagrama eléctrico, también conocido como un esquema eléctrico o esquemático. Esto lo 
definimos como una representación pictórica de un circuito eléctrico. Muestra los 
diferentes componentes del circuito de manera simple y con pictogramas uniformes de 
acuerdo a normas, y las conexiones de alimentación y de señal entre los distintos 
dispositivos. El arreglo de los componentes e interconexiones en el esquema generalmente 
no corresponde a sus ubicaciones físicas en el dispositivo terminado. A diferencia de un 
esquema de diagrama de bloques o disposición, un esquema de circuito muestra la conexión 
real mediante cables entre los dispositivos (Aunque el esquema no tiene que corresponder 
necesariamente a lo que el circuito real aparenta). 
Para la implementación de nuestro sistema de control nos apoyamos de los 
diagramas eléctricos de las figuras 1.6.3 y 1.6.4. En la figura 1.6.3 se indican las terminales 
del control de temperatura, conexión del sensor de temperatura (RTD), salidas del control 
de temperatura, interfaces de HMI y del control de temperatura. La figura 1.6.4 es el 
diagrama de control para conectar el PLC y los actuadores del sistema (válvula 
proporcional, electroválvulas ON/OF) y fuente de alimentación. Estos diagramas nos 
facilitaron la integración del Hardware a si como apoyo para la integración por Software 
de los dispositivos. 
 
 
 
 
 
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[25] 
 
Figura 1.6.3 Diagramas de conexión del control de temperatura y HMI 
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[26] 
 
Figura 1.6.4 Diagramas de control (conexión PLC y actuadores del sistema) 
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[27] 
 
CAPÍTULO II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DEL SISTEMA 
2.1 CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES (PLC) 
Como su mismo nombre lo indica, se ha diseñado para programar y controlar 
procesos secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible encontrar este tipo de 
equipos en ambientes industriales. 
Los PLC se utilizan para realizar automatismos, en ellos se pueden ingresar 
programas en su disco de almacenamiento, y con un microprocesador integrado se corre un 
programa, hay infinidades de PLC. Los cuales tienen diferentes propiedades que ayudan a 
facilitar ciertas tareas para las cuales se los diseñan. 
Para que un PLC logre cumplir con su función de controlar, es necesario 
programarlo con cierta información acerca de los procesos que se quiere controlar. Esta 
información es recibida por receptores, que gracias al programa lógico interno, logran 
implementar el control a través de los actuadores de la instalación. 
Un PLC es un equipo comúnmente utilizado en maquinas industriales para diversos 
procesos industriales para controlar procesos secuenciales, así como también, en aquellas 
que realizan maniobras de instalación, señalización y control. 
Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentra que, gracias a ellos, es 
posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos, pudiendo realizar modificaciones sin 
costos adicionales. Por otra parte, son de tamaño reducido y mantenimiento de bajo costo, 
además permiten ahorrar dinero en mano de obra y la posibilidad de controlar más de una 
máquina con el mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los 
controladores lógicos programables (PLC), presentan ciertas desventajas como es la 
necesidad de contar con técnicos calificados y adiestrados específicamente para ocuparse 
de su buen funcionamiento. 
 
 
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[28] 
 
2.1.1 TIPOS DE PLC 
Básicamente en la industria se comercializan dos tipos de PLC 
 Modulares 
 Integrales 
MODULARES: son aquellos en la que sus partes están separadas por tarjetas o 
módulos independientes que al ser conectados entre sí conforman el programador o 
PLC. 
INTEGRALES: los integrales o compactos están conformados en una unidad en la 
cual todos los componentes están integrados en un mismo dispositivo 
2.1.2 Partes de un PLC. 
La estructura básica de cualquier controlador lógico programable es la siguiente: 
a) Fuente de alimentación 
b) Unidad Central de Procesamiento (CPU) 
c) Módulo de entrada 
d) Módulo de salida 
e) Terminal de programación 
f) Periféricos. 
Respecto a su disposición externa, los autómatas pueden contener varias de estas 
secciones en un mismo módulo o cada una de ellas separadas por diferentes módulos. Así 
se pueden distinguir autómatas Compactos y Modulares. 
a) Fuente de alimentación: Es la encargada de convertir la tensión de la red, a 
baja tensión de c.c, normalmente 24V. Siendo esta la tensión de trabajo en 
los circuitos electrónicos que forman el PLC. 
b) CPU: La Unidad Central de Procesamiento es el cerebro del sistema. Se 
encarga de recibir las ordenes, del operario por medio de la consola de 
programación y el modulo de entradas. Posteriormente las procesa para 
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[29] 
 
enviar respuestas al módulo de salidas. En su memoria se encuentra 
residente el programa destinado a controlar el proceso. 
c) Modulo de entradas: Las entradas de un PLC son optó aisladas, paraproteger al micro controlador de altos voltajes y algunas marcas permiten 
ajustar la intensidad de la entrada. Es decir, la corriente de entrada varía 
gracias a un potenciómetro que se posee. La figura 2.1.1 es un esquema 
físico de un módulo de entrada. 
 
Figura 2.1.1 Opto acoplador de entrada del PLC 
Adicionalmente, las entradas de un PLC pueden ser análogas o digitales y 
esto se debe en gran medida a la cantidad impresionante de instrumentos que 
se pueden integrar con los PLC. En la figura 2.1.2 el circuito de entradas 
digitales. 
 
Figura 2.1.2. Circuito interno del PLC para entradas digitales de VCD y VCA 
Se pueden diferenciar dos tipos de captadores conectables al módulo de 
entradas: los Pasivos y los Activos. 
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[30] 
 
Los receptores pasivos son aquellos que cambian su estado lógico, activado 
y no activado, por medio de una acción mecánica. Estos son los 
interruptores, pulsadores, finales de carrera, etc. 
Los receptores activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser 
alimentados por una tensión para que varíen su estado lógico. Este es el caso 
de los diferentes tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos, 
Fotoeléctricos). 
Sabemos que se puede utilizar arrancadores con su lógica debidamente 
establecida (ver figura 2.1.3) para la utilización de un PLC. 
Sin embargo en circuitos automatizados por PLC, los receptores son 
generalmente abiertos. 
El mismo arrancador paro/marcha realizado con un PLC se muestra en la 
figura 2.1.4. En él se ve que ambos pulsadores y el relé térmico auxiliar son 
abiertos. 
 
 
Figura 2.1.3. Control con contactos Figura 2.1.4. Control con PLC 
d) Modulo de salidas: El módulo de salidas del PLC es el encargado de activar 
y desactivar los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, motores, etc.). 
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[31] 
 
La información enviada por el CPU, una vez procesada, se envía al módulo 
de salidas para que estas sean activadas y a la vez los actuadores que en ellas 
están conectados. 
Según el tipo de proceso a controlar por el autómata, podemos utilizar 
diferentes módulos de salida. 
Existen tres tipos: 
1. A relés. 
2. A triac. 
3. A transistores. 
1. Módulos de salidas a relés: Son usados en circuitos de corriente 
continua y alterna. Están basados en la conmutación mecánica, por la bobina 
del relé, de un contacto eléctrico normalmente abierto como lo muestra la 
Figura 2.1.5. 
 
Figura 2.1.5 Relevador interno del PLC 
 2. Módulos de salidas a TRIACS: Se utilizan en circuitos de 
corriente continua y corriente alterna que necesiten maniobras de 
conmutación muy rápidas. La figura 2.1.6 es una conexión interna de la 
salida de un modulo a Triacs. 
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[32] 
 
 
Figura 2.1.6 Triac interno del PLC 
3. Módulos de salidas a Transistores a colector abierto: El 
uso del este tipo de módulos es exclusivo de los circuitos de c.c. 
Igualmente que en los de Triacs, es utilizado en circuitos que necesiten 
maniobras de conexión/desconexión muy rápidas. La conexión interna 
de este modulo lo muestra la Figura 2.1.7. 
 
Figura 2.1.7 Transistor de salida del PLC 
e) Terminal de programación: El terminal o consola de programación es el 
que permite comunicar al operario con el sistema. 
Las funciones básicas de éste son las siguientes: 
1. Transferencia y modificación de programas. 
2. Verificación de la programación. 
3. Información del funcionamiento de los procesos. 
Como consolas de programación pueden ser utilizadas las construidas 
específicamente para el PLC, tipo calculadora o bien un ordenador 
personal (ver figura 2.1.8), que soporte un software especialmente 
diseñado para resolver los problemas de programación y control. 
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[33] 
 
 
Figura 2.1.8 Terminal de programación portátil y compatible con PC 
f) Periféricos: Los periféricos no intervienen directamente en el 
funcionamiento del autómata, pero sin embargo facilitan la labor del 
operario. 
Los más utilizados son: 
1. Grabadoras a casetes. 
2. Impresoras. 
3. Cartuchos de memoria EEPROM. 
4. Visualizadores, interface hombre maquina HMI y paneles de operación 
(ver figura 2.1.9) 
 
Figura 2.1.9 Conexión de una HMI a un PLC 
2.1.3 Lenguajes de programación 
Cuando surgieron los autómatas programables, lo hicieron con la necesidad de 
sustituir a los enormes cuadros de maniobra construidos con contactores y relés. Por lo 
tanto, la comunicación hombre-maquina debería ser similar a la utilizada hasta ese 
momento. El lenguaje usado, debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos 
técnicos electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación. Estos 
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[34] 
 
lenguajes han evolucionado en los últimos tiempos, de tal forma que algunos de ellos ya no 
tienen nada que ver con el típico plano eléctrico a relés. Los lenguajes más significativos 
son: 
 
a) Lenguaje escalera (Ladder) 
Es el que más similitudes tiene con el utilizado por un electricista al 
elaborar cuadros de automatismos. Muchos autómatas incluyen módulos 
especiales de software para poder programar gráficamente de esta forma. Un 
ejemplo se muestra en la Figura 2.1.10. 
 
Figura 2.1.10 Diagrama Ladder 
b) Lenguaje por lista de instrucciones AWL (abreviado del alemán 
“Anweisungliste”) 
En los PLC de gama baja, es el único modo de programación pero el más 
versátil, también es conocido por sus siglas en alemán AWL (Anweisungliste). 
Consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos que se asocian a los 
símbolos y su combinación en un circuito eléctrico a contactos. También decir, 
que este tipo de lenguaje es, en algunos los casos, la forma más rápida de 
programación e incluso la más potente. 
Ejemplo de programación por lista de instrucciones 
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[35] 
 
 
c) Plano de funciones FUP (abreviado del alemán “Funktions Plan”). 
El plano de funciones lógicas, resulta especialmente cómodo de utilizar, a 
técnicos habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, ya que la 
simbología usada en ambos es equivalente. En la figura 2.1.11 es un ejemplo de 
esta forma de programación. 
 
Figura 2.1.11 Diagrama FUP 
d) GRAFCET 
Es el llamado Gráfico de Orden Etapa Transición. Ha sido especialmente 
diseñado para resolver problemas de automatismos secuenciales. Las acciones 
son asociadas a las etapas y las condiciones a cumplir a las transiciones. Este 
lenguaje resulta enormemente sencillo de interpretar por operarios sin 
conocimientos de automatismos eléctricos. Muchos de los autómatas que existen 
en el mercado permiten la programación en GRAFCET, tanto en modo gráfico o 
como por lista de instrucciones. 
También podemos utilizarlo para resolver problemas de automatización 
de forma teórica y posteriormente convertirlo a plano de contactos. 
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[36] 
 
2.1.4 Áreas de memorias 
 Las áreas de un PLC es donde se alojan los bits de trabajo. Estas están estructuradas 
para que cada área tenga funciones específicas. Las áreas comunes entre PLC son:a) I/O: En estas se monitorean las entradas y salidas del PLC. 
b) T/C: En estas áreas podemos trabajar con contadores y temporizadores. 
c) D: Área de datos. 
d) H: Áreas especiales. 
2.1.5 Tiempo de SCAN. 
El tiempo de escaneo es el tiempo que le toma al PLC para ejecutar la lectura de 
sus entradas, la ejecución del programa, el diagnostico de alarmas y la ejecución de sus 
salidas. En la figura 2.1.12 es un esquema del tiempo de SCAN. 
 
Figura 2.1.12 Ciclo de SCAN 
2.1.6 Instrucciones básicas de un PLC 
 Para poder programar un PLC se necesita de una librería que se encuentra en la 
consola de programación. Esta librería tiene una lista de instrucciones que hacen posible la 
ejecución de un programa. 
Básicamente contienen las siguientes listas de instrucciones: 
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[37] 
 
a) Instrucciones básicas: Las operaciones básicas son conocidas como algebra 
de BOOL como son AND, OR, NOT etc. 
b) Instrucciones de operación aritmética: +, -, *, /, INC, SQR, SIN, COS, 
TAN, etc. 
c) Comparación: >, <, =, <=, > =, etc. 
d) Control de flujo de programas: Saltos (JMP), subrutinas (SBR), llamado 
(CALL), etc. 
e) Transferencia de datos: Estas son para mover datos internamente en el área 
de memoria o entre otro PLC (MOV, XCH etc.) 
f) Temporizadores y contadores: Contadores ascendentes, contadores 
descendentes, temporizadores con retardo a la alimentación o de un disparo 
etc. 
g) Comunicación: Estas son para enviar y recibir datos de otro PLC o 
ordenador 
Para el proyecto se utilizo un PLC tipo integral marca OMRON modelo CP1H-
XA40DR-A en la Figura 2.1.13 tenemos la configuración básica del dispositivo. 
 
Figura 2.1.13 Descripción general del PLC 
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[38] 
 
Este modelo cuenta con entrada para alimentación de 120V, 24 entradas digitales, 
16 salidas a relevador, 2 salidas analógicas. A continuación tenemos las características 
principales y áreas de memoria que utiliza el PLC. 
 
 
 
 
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[39] 
 
Otra de las características por la cual se escoge este modelo es por la capacidad de 
expandirse con otros módulos, a si como de dos puertos de comunicación para tarjetas de 
comunicación opcionales 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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[40] 
 
2.2 INTERFACE HOMBRE MAQUINA (HMI) 
La interface hombre máquina en sus siglas en ingles “HMI” significa “Human 
Machine Interface”, es el dispositivo o sistema que permite la comunicación entre la 
persona y la máquina. Tradicionalmente estos sistemas consistían en paneles compuestos 
por indicadores y comandos, tales como luces pilotos, indicadores digitales y análogos, 
registradores, pulsadores, selectores y otros que se interconectaban con la máquina o 
proceso. En la actualidad, dado que las máquinas y procesos en general están 
implementadas con controladores y otros dispositivos electrónicos que dejan disponibles 
puertas de comunicación, es posible contar con sistemas de HMI más poderosos y eficaces, 
además de permitir una conexión más sencilla y económica con el proceso o máquinas, 
como se muestra en la Figura 2.2.1. 
 
Figura 2.2.1 Diagrama unifilar de una HMI con otros dispositivos 
2.2.1 Tipos de interfaces de usuario 
Según la forma de interactuar del usuario con una interfaz, nos encontramos con varios 
tipos de interfaces de usuario: 
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[41] 
 
a) Interfaces alfanuméricas (intérpretes de mandatos) que solo presentan texto. 
b) Interfaces gráficas de usuario (GUI, graphics user interfaces), las que permiten 
comunicarse con el ordenador de una forma muy rápida e intuitiva 
representando gráficamente los elementos de control y medida. 
c) Interfaces táctiles, que representan gráficamente un "panel de control" en una 
pantalla sensible que permite interaccionar con el dedo de forma similar a si se 
accionara un control físico. 
Según su construcción pueden ser de hardware o de software: 
Interfaces de hardware: Se trata de un conjunto de controles o dispositivos que 
permiten la interacción hombre-máquina, de modo que permiten introducir o leer datos del 
equipo, mediante pulsadores, reguladores e instrumentos. 
Interfaces de software: Son programas o parte de ellos, que permiten expresar 
nuestros deseos al ordenador o visualizar su respuesta. 
2.2.2 Software HMI 
 Estos softwares permiten entre otras cosas las siguientes funciones: Interface 
gráfica de modo de poder ver el proceso e interactuar con él, registro en tiempo real e 
histórico de datos, manejo de alarmas. Si bien es cierto sólo con la primera función 
enunciada es la propiamente HMI, casi todos los proveedores incluyen las otras dos ya sea 
en el mismo paquete o bien como opcionales. 
También es normal que dispongan de más herramientas. Al igual que en los 
terminales de operador, se requiere de una herramienta de diseño o desarrollo, la cual se usa 
para configurar la aplicación deseada, y luego debe quedar corriendo en el PC un software 
de ejecución (Run Time). 
Por otro lado, este software puede comunicarse directamente con los dispositivos 
externos (proceso) o bien hacerlo a través de un software especializado en la comunicación, 
cual es la tendencia actual. 
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[42] 
 
Comunicación: La comunicación con los dispositivos de las máquinas o proceso se 
realiza mediante comunicación de datos empleando los puertos disponibles para ello y los 
protocolos, tanto en los dispositivos como en las HMI. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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[43] 
 
2.3 CONTROL DE TEMPERATURA 
El controlador de temperatura es un dispositivo mediante el cual se puede regular la 
temperatura de un sistema físico tal como una pieza de un material cualquiera o un espacio 
establecido, etc. para un fin determinado. 
La temperatura podrá ser superior o inferior a la ambiente, para lo cual en el primer 
caso entregaré energía calórica y en el segundo extraeré energía calórica. 
Los controles podemos ubicarlos en dos grandes grupos. 
a) Lazo abierto 
b) Lazo cerrado 
a) Lazo abierto: Se entrega una cierta cantidad de energía constante o variable 
para lograr una temperatura prefijada. 
Cualquier variación de las condiciones del elemento a controlar, no será 
corregida por no disponer de un conocimiento directo de la temperatura a 
controlar. En estos sistemas, para que la temperatura del elemento a 
controlar sea el requerido, se debe mantener una cierta cantidad de 
parámetros de elementos periféricos en valores predeterminados, a fin de 
que la energía calórica entregada, produzca los efectos deseados sobre piezas 
a controlar. 
b) Lazo cerrado: Se entrega una cierta cantidad de energía que será 
dependiente de la diferencia de temperatura real del elemento a controlar y 
de la temperatura prefijada o sea que existe una realimentación. 
Una forma segura y sencilla de lograr la temperatura deseada sobre el 
elemento, es aplicar un sensor sobre este y con los datos obtenidos, 
realimentar el sistema a fin de aplicar la energía calórica necesaria para 
lograr el resultado requerido.Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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[44] 
 
No siempre, podemos medir en forma directa la temperatura del elemento, 
por lo que en estos casos se medirá otro parámetro y a través de un modelo 
matemático o un simple cálculo, suponemos que tenemos el dato necesario 
de temperatura. 
A continuación explicaremos los bloques de la figura 2.3.1. 
 
Figura 2.3.1 Bloques de un sistema de lazo cerrado para temperaturas 
a) Comparador: Compara el valor de la referencia con el valor del sensor de 
temperatura y como resultado de la comparación, excitará el interruptor de 
calefacción o enfriamiento, ya sea que la temperatura del elemento sea 
menor o mayor respectivamente. 
La referencia puede ser una tensión que representa una temperatura 
determinada y esta podrá ser constante o seguir alguna forma de evolución 
en el tiempo de acuerdo a las necesidades de lo controlado. 
La salida del sensor de temperatura deberá ser también una tensión 
dependiente de la temperatura de la cámara. El comparador deberá tener una 
salida que según su signo, positivo o negativo, accionará el interruptor de 
calefacción o enfriamiento. 
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[45] 
 
En valores muy próximos al de referencia, no deberá tener salida porque de 
lo contrario, estaría permanentemente accionando el sistema de 
calentamiento y enfriamiento en forma alternativa convirtiéndose en un 
sistema oscilante en temperatura, que seguramente no es lo requerido. 
O sea deberá existir un entorno de temperatura en el cual no accione ninguno 
de los dos sistemas. (Calentamiento o enfriamiento) 
Es evidente que esto ya nos está determinando un error en la temperatura a 
controlar. Si este error es mayor que el tolerable por la consigna, se deberá 
recurrir a algo más elaborado. 
b) Interruptor: Este bloque es el encargado de controlar el sistema de 
calefacción y enfriamiento; esto lo puede hacer de forma ON/OFF o PID. 
c) Calefacción: Los elementos para calentar pueden ser: 
1. Resistencias eléctricas 
2. Vapor de agua 
3. Agua caliente 
4. Llama 
5. Energía solar 
6. Inducción magnética 
7. Campo eléctrico 
8. El propio elemento a controlar 
Este último se refiere a reacciones exotérmicas de origen químico, 
nuclear o motores de combustión interna, etc. 
d) Refrigeración: Los elementos para enfriar pueden ser: 
1. Refrigeradores de gas (tipo familiar). 
2. Aire a temperatura ambiente. 
3. Aire enfriado. 
4. Agua a temperatura ambiente. 
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[46] 
 
5. Celdas de efecto Peltier. 
e) Cámara: En este bloque estamos representando el elemento a controlar que 
puede ser muy variado tales como: 
1. Líquidos estáticos en un recipiente. 
2. Líquidos circulando por una tubería. 
3. Gases estáticos en un recipiente. 
4. Gases circulando por tuberías. 
5. Mezclas químicas. 
6. Etc. 
f) Pérdidas térmicas: Representa la transferencia de energía entre el sistema a 
controlar y el medio ambiente o medio circundante. 
Esta transferencia puede ser positiva o negativa. Positiva será cuando el 
sistema entregue calor al medio ambiente y viceversa. 
Los controladores de lazo cerrado los dividiremos a su vez en dos grandes 
grupos. 
1. Por todo o nada, llamados también si-no, (ON-OFF en inglés) 
2. Proporcionales. 
1. Controles si-no: En estos controladores se compara la temperatura real con 
la prefijada y la energía entregada o absorbida es fija y depende del signo del 
error y no de la magnitud del mismo. Es decir si estoy por debajo del valor de 
referencia mando una señal digital para calentar el sistema hasta llegar al valor 
determinado, si estoy por arriba de la referencia mando una señal para dejar de 
calentar hasta regresar al valor predeterminado. La siguiente figura 2.3.2 
ejemplifica este tipo de control. 
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[47] 
 
 
Figura 2.3.2 Salida ON/OFF conforme varia la señal del sensor de temperatura 
2. Control proporcional: En este tipo de controlador la energía entregada o 
adsorbida, depende de la magnitud del error, siendo este la diferencia entre la 
temperatura prefijada y la real. 
Haciendo referencia al diagrama en bloque, el interruptor cumplirá una 
función más específica. 
Del resultado de la comparación, si el signo indica que hay que calentar, el 
camino de la señal será el superior, en el diagrama en bloques, y la magnitud 
del error "dosificará" la potencia que entregará el calefactor y el diagrama de la 
evolución de la temperatura y potencia versus tiempo, ilustrada en la Figura 
2.3.3. 
La potencia entregada disminuye a medida que la temperatura se acerca a la 
prefijada por lo tanto la temperatura del elemento calefactor disminuye de tal 
manera que cuando la cámara llega a la TP es poca la señal de salida del control 
de temperatura y por este motivo, la temperatura del conjunto subirá en menor 
cantidad que en el control si-no. A partir de este punto las oscilaciones serán de 
menor amplitud. 
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[48] 
 
 
Figura 2.3.3 Salida analógica conforme varia la señal del sensor de temperatura 
La asíntota de la evolución de la temperatura dentro del horno será variable 
en el tiempo, por lo tanto la curva es del tipo exponencial con asíntota variable. 
Podemos observar que con este método si bien las oscilaciones son de menor 
amplitud, el tiempo en llegar a la temperatura prefijada desde el momento del 
arranque o sea a partir de la temperatura ambiente, será mayor. 
Para efectuar un control que tenga las ventajas del sí-no o sea llegada rápida 
al régimen y con oscilaciones de baja amplitud, se puede efectuar un control 
combinado. 
Se comienza con un sistema si-no pero cuando llega a un cierto porcentaje 
de la temperatura de régimen, comienza a operar en forma proporcional. 
Este punto en general es ajustable por el operador para lograr la solución de 
compromiso, optimizar los tiempos de tal manera de disminuir los tiempos de 
entrada en régimen. Este tipo de controles se llaman de banda proporcional. 
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[49] 
 
El control descrito es proporcional pero existen varias formas de proporcionalidad. 
1. Proporcional a la integral del error: es el llamado control integral 
2. Proporcional a la variación de velocidad del error: es llamado control por 
derivada 
3. Proporcional al error: es llamado control proporcional propiamente dicho 
También se pueden usar combinaciones de los mismos, el más completo, será el control 
llamado Proporcional Integral Derivativo, normalmente llamado P.I.D., esto se puede 
ejemplificar en bloques como lo muestra la figura 2.3.4. Cuya expresión matemática se 
expresa a continuación. 
 
 
Figura 2.3.4. 
Refiriéndonos al diagrama de bloques de la figura 2.3.5 se intercalaría un bloque a 
continuación del comparador de la figura 2.3.1 que haría la siguiente función. 
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[50] 
 
 
Figura 2.3.5 Bloque PID de un controlador de temperatura 
2.3.1 SENSORES DE TEMPERATURAS 
Los sensores de temperaturas se dividen en varios grupos. 
a) Termopar 
b) Termistor 
c) Sensor infrarrojo 
a) Termopar: es un dispositivo para la medición de temperatura, basado en efectostermoeléctricos Es un circuito basado en dos conductores de metales diferentes, 
unidos en sus extremos y entre cuyas uniones existe una diferencia temperatura que 
origina una fuerza electromotriz. La forma de representar el termopar se indica en 
la figura 2.3.6. 
 
Figura 2.3.6 Símbolo del termopar 
La fuerza electromotriz generada entre las uniones está en función de la 
temperatura. Los termopares más usados en la industria se muestran en la tabla 
2.3.7. 
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[51] 
 
 
Tabla 2.3.7 Termopares usados en la industria 
b) Termistor: Los detectores de temperatura resistivos (RTD – Resistance 
Temperature Detector) son sensores de temperatura basados en la variación de la 
resistencia de un conductor con la temperatura. Pueden ser positivos o negativos. 
Su símbolo se muestra en la figura 2.3.8, en el que se indica una variación lineal 
con coeficiente de temperatura. 
 
Figura 2.3.8 Símbolo del termistor 
Al calentarse un metal habrá una mayor agitación térmica, dispersándose 
más los electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A 
mayor temperatura, mayor agitación, y mayor resistencia. 
Para las que tienen una variación positiva, se llaman de coeficiente positivo de 
temperatura o PTC. Estas resistencias por lo general son de metal. 
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[52] 
 
Para las que tienen una variación negativa, se llaman de coeficiente negativo de 
temperatura o NTC. Estas resistencias por lo general son de carbono o de 
semiconductores. 
La variación de la resistencia puede ser expresada de manera polinómial para 
las PTC como sigue a continuación. Por lo general, la variación es bastante lineal 
en márgenes amplios de temperatura. 
 
Donde: 
 R0 es la resistencia a la temperatura de referencia T0 
 ΔT es la desviación de temperatura respecto a T0 (ΔT = T − T0) 
 α es el coeficiente de temperatura del conductor especificado a 0 °C, interesa 
que sea de gran valor y constante con la temperatura. 
Los materiales empleados para la construcción de sensores RTD suelen ser 
conductores tales como el cobre, el níquel o el platino. Las propiedades de algunos 
de éstos se muestran en la tabla 2.3.9. 
 
Tabla 2.3.9 RTD usados en la industria 
De todos ellos es el platino el que ofrece mejores prestaciones, como: alta 
resistividad para un mismo valor óhmico, la masa del sensor será menor, por lo que la 
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[53] 
 
respuesta será más rápida margen de temperatura mayor alta linealidad sin embargo, 
su sensibilidad (α) es menor 
Un sensor PTC comercial es el PT100 (RTD de platino con R=100 Ω a 0 °C) y 
el PT1000. En la tabla 2.3.10 se muestran valores estándar de resistencia a distintas 
temperaturas para un sensor PT100 con α = 0.00385Ω / Ω / K. 
 
Tabla 2.3.10 Valores estándares del PT100 
Para los RTD existen variaciones a 2,3 y 4 hilos los hilos indican la exactitud 
entre mas hilos tenga un RTD la medida será más exacta. DVM es el voltaje para ser la 
medición interna en un control de temperatura (ver figuras 2.3.11). 
 
a) Circuito RTD dos hilos bifilar 
 
b) Circuito RTD tres hilos 
. 
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[54] 
 
 
c) Circuito RTD cuatro hilos 
Figuras 2.3.11 Variantes de RTD 
 
c) Sensor infrarrojo: 
Radiación infrarroja: La radiación existe en el espectro electromagnético a 
una longitud de onda más larga que la luz visible, no puede ser vista pero puede ser 
detectada, los objetos que generan radiación infrarroja. 
En este rango la radiación IR no pasa a través de muchos tipos de materiales 
que dejan pasar luz visible como lo es el plástico y el vidrio ordinario, como sea pasa 
pero con atenuación. 
Sensores pirolicos: El sensor piro eléctrico esta hecho de un material cristalino 
que genera una carga eléctrica en una superficie cuando se expone al calor en forma de 
radiación infrarroja, cuando la cantidad de radiación es demasiada el cristal cambia , 
también cambia la cantidad de carga y puede ser medida con un FET sensitivo 
embebido en un circuito integrado, y como los elementos sensores en este dispositivo 
son sensibles a la radiación el circuito integrado está provisto de un filtro para limitar 
la radiación detectable de 8 a 14 mm el cual es el rango mas sensitivo a la radiación del 
cuerpo humano. 
Típicamente la fuente del FET (pin2) se conecta a una resistencia de 
“pulldown” de aproximadamente 100k a tierra y alimenta un amplificador de dos 
etapas teniendo una señal condicionando circuitos, el amplificador es típicamente un 
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[55] 
 
pasa banda limitada debajo de los 10Hz y esta seguido de una ventana de comparación 
que responde a las transiciones que van de positivo a negativo de la señal de salida del 
sensor. Una fuente bien filtrada que va de 3 a 15V debe ser conectada al drenaje del 
FET (pin 1) como se ilustra en la figura 2.3.12. 
 
Figura 2.3.12 
El sensor PIR tiene dos elementos conectados a su configuración de voltaje , este 
arreglo cancela señales causadas por la vibración , cambios en la temperatura y la luz 
solar, un cuerpo que pasa frente al sensor activara el primer elemento, entonces el otro 
elemento como es otra fuente infrarroja se afectara y se activara. La radiación debe 
pasar a través del sensor en una dirección horizontal como se ilustra en la figura 2.3.13. 
 
Figura 2.3.13 Sensor infrarrojo 
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[56] 
 
2.3.2 Control de temperatura E5AK 
Para este proyecto se utilizo un control de temperatura marca OMRON, modelo 
E5AK-AA2 500. En la figura 2.3.14 y 2.3.15 tenemos el control y un diagrama de bloques 
del control de temperatura respectivamente. 
 
 Figura 2.3.14 Control de temperatura E5AK-AA2 500 
 
 
Figura 2.3.15 Diagrama de bloques del E5AK-AA2 500 
Las características más importantes para nuestra aplicación fueron: tipo de entrada 
PT100, método de control PID, tarjeta opcional de comunicación RS-422, salidas de 4 a 
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[57] 
 
20mA y salidas de control calentar/enfriar (HEATING/COOLING). A continuación 
tenemos en las tablas las especificaciones del control de temperatura. 
Las tablas 2.3.16, 2.3.17 y 2.3.18 son especificaciones técnicas del control de 
Temperatura E5AK en las que nos basamos para la integración del dispositivo 
 
Tabla 2.3.16 Especificaciones técnicas de la unidad de salida 
 
Tabla 2.3.17 Especificaciones técnicas del módulo de comunicación 
 
Tabla 2.3.18 Especificaciones técnicas generales del control de temperatura 
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[58] 
 
2.4 ELECTROVÁLVULA 
Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el flujo 
de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería. La válvula está controlada 
por una corriente eléctrica a través de una bobina o solenoide. El solenoide convierte 
energía eléctrica en energía mecánica para actuar la válvula. 
Las electroválvulas pueden ser cerradas en reposo o normalmente cerradas lo cual 
quiere decir que cuando fallala alimentación eléctrica quedan cerradas o bien pueden ser 
del tipo abiertas en reposo o normalmente abiertas que quedan abiertas cuando no hay 
alimentación. 
Hay electroválvulas que en lugar de abrir y cerrar lo que hacen es conmutar la 
entrada entre dos salidas. 
2.4.1 Tipos de electroválvulas por accionamiento 
a) Accionamiento directo: el solenoide actúa directamente sobre la válvula 
proporcionando toda la energía necesaria para su movimiento. 
El funcionamiento de este tipo de válvula es el siguiente. Cuando no está 
activado el solenoide no se genera ningún campo magnético que actué sobre el 
carrete de la electroválvula; para este caso el resorte hace la presión en contra de P 
que es la entrada del fluido y no deja pasar nada hacia la salida A como se muestra 
en la Figura 2.4.1. 
 
Figura 2.4.1 Electroválvula en OFF 
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[59] 
 
Cuando se activa la bobina de la Figura 2.4.2. El campo magnético 
generado rompe la fuerza del resorte atrayendo el carrete y deja pasar el 
fluido hacia A cuando se desactiva la bobina el resorte ejerce fuerza sobre el 
carrete sellando la entrada y el fluido que queda en A es expulsado por R. 
 
Figura 2.4.2 Electroválvula en ON 
b) Accionamiento piloto: este accionamiento el solenoide no controla la válvula 
directamente sino que el solenoide controla una válvula piloto secundaria y la 
energía para la actuación de la válvula principal la suministra la presión del propio 
fluido. 
En la figura 2.4.3 se muestra el funcionamiento de este tipo de válvula. En la 
parte superior vemos la válvula cerrada. El fluido bajo presión entra por A. B es un 
diafragma elástico y tiene encima un muelle que le empuja hacia abajo con fuerza 
débil. La función de este muelle no nos interesa por ahora y lo ignoramos ya que la 
válvula no depende de él para mantenerse cerrada. El diafragma tiene un diminuto 
orificio en el centro que permite el paso de un pequeño flujo del fluido. Esto hace 
que el fluido llene la cavidad C y que la presión sea igual en ambos lados del 
diafragma. Mientras que la presión es igual a ambos lados, vemos que actúa en más 
superficie por el lado de arriba que por el de abajo por lo que presiona hacia abajo 
sellando la entrada. Cuanto mayor sea la presión de entrada, mayor será la fuerza 
con que cierra la válvula. 
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[60] 
 
Ahora estudiamos el conducto D. Hasta ahora estaba bloqueado por el 
núcleo del solenoide E al que un muelle empuja hacia abajo. Si se activa el 
solenoide, el núcleo sube y permite pasar el fluido desde la cavidad C hacia la salida 
con lo cual disminuye la presión en C y el diafragma se levanta permitiendo el paso 
directo de fluido desde la entrada A hacia la salida F de la válvula. Esta es la 
situación representada en la parte inferior de la figura. 
Si se vuelve a desactivar el solenoide se vuelve a bloquear el conducto D y el 
muelle situado sobre el diafragma necesita muy poca fuerza para que vuelva a bajar 
ya que la fuerza principal la hace el propio fluido en la cavidad C. 
De esta explicación se deduce que este tipo de válvula depende para su 
funcionamiento de que haya mayor presión a la entrada que a la salida y que si se 
invierte esta situación entonces la válvula abre sin que el solenoide pueda 
controlarla. 
 
 
Figura 2.4.3 Electroválvula accionamiento piloto 
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[61] 
 
Los símbolos para representar la electroválvula en un sistema de fuerza y eléctrico 
se muestran en las figuras 2.4.4. 
 
a) Símbolo eléctrico b) Símbolo de fuerza 
Figuras 2.4.4 Símbolos de una electroválvula 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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[62] 
 
 2.5 VÁLVULA PROPORCIONAL 
La técnica proporcional es novedosa en su aplicación neumática. Está basada en el 
uso de válvulas proporcionales, bien sean éstas de caudal o de presión. 
Se entiende por válvula proporcional aquélla en la que una magnitud física del 
fluido (caudal o presión) a la salida de la válvula es proporcional a una señal eléctrica 
analógica de entrada X=KV. Donde X es presión o caudal; K una constante de 
proporcionalidad y V es la señal analógica de tensión continua que se introduce en la 
válvula. No se alimentan las válvulas con 0 V ó 24 V, como en las válvulas convencionales, 
sino que se hace con una señal que puede variar en un rango determinado ya sea por 
voltaje o corriente (por ejemplo de 0 a 10 V ó de 4 A 20 mA). 
De esta forma se obtienen valores intermedios de presión o caudal, a diferencia de 
las válvulas convencionales. 
2.5.1 Clasificación: 
Las válvulas proporcionales pueden clasificarse en primer lugar en: 
a) Válvulas de caudal 
b) Válvulas de presión 
Las válvulas de caudal regulan esta entidad de manera continua entre un valor nulo y 
uno máximo. Por otra parte son válvulas distribuidoras con corredera, teniendo un número 
de vías y de posiciones variable. 
Las válvulas de presión regulan este parámetro en su salida, igualmente de manera 
continua, entre un valor mínimo y un valor máximo, equivalente a la presión de entrada. 
Hablaremos del funcionamiento básico de dos válvulas de entre las más frecuentemente 
empleadas, suficientemente representativas del resto y disponibles en el mercado. 
 
 
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[63] 
 
2.5.2 Válvula proporcional de caudal: 
La representación básica de la válvula proporcional y esquematizada se observa en 
la figura 2.5.1., con su símbolo ISO, es análogo al de una válvula convencional 5/3 
añadiendo dos rayas encima y debajo. Además la flecha en el solenoide indica la 
posibilidad de variación en la señal de entrada. 
 
Figura 2.5.1 Símbolo ISO de una válvula proporcional 
La válvula proporcional dispone de un cuerpo (1) en el que se aloja la corredera (2), 
ésta se desplaza dentro de un casquillo fijo (3) alojado en el interior del cuerpo. Entre el 
casquillo y el cuerpo se disponen unas juntas (4) para mejorar la estanquidad. 
La corredera se desplaza directamente gracias a un solenoide proporcional (5), y por 
lo tanto puede posicionarse de manera variable y continua en función de la tensión de 
alimentación. 
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[64] 
 
Por otra parte tiene un sensor de posición (6) que controla la posición de la 
corredera y permite su realimentación, es decir, modifica su posición si no se ha alcanzado 
la que debiera tener. 
El tapón (7) sirve para el mantenimiento, pudiendo extraer la corredera para su limpieza y 
puesta a punto. 
2.5.2.1 Funcionamiento: 
La válvula proporcional convierte una señal eléctrica analógica de entrada en una 
determinada posición de la corredera y, por ende, una concreta apertura de la sección 
transversal del paso de aire a través de la corredera. Para 5V la válvula se coloca en la 
posición intermedia con centros cerrados. No hay paso de aire más que la mínima fuga 
natural hacia escape, debida a la forma constructiva de la válvula. A 10V y a 0V la 
corredera de la válvula se coloca en sus posiciones finales, bien hacia un extremo, dejando 
pasar el máximo caudal desde la vía 1 a la 2, bien en el otro, dejando pasar el máximo 
caudal de 1 a 4, y un caudal nulo en los dos casos en las otras vías de trabajo, 4 a 5 y 2 a 3 
respectivamente.