Control de red de abastecimiento de agua a pequeña escala

Integrantes

Felipe Osvaldo Reyna Yáñez A00810222 osvaldo.ry8@gmail.com

David Martínez A01195171 david92.martinez@gmail.com

Arturo Gutiérrez A01195093 agtz871@gmail.com

Daniel Castro Torres A00807867 daniel.castro.torres@gmail.com

Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey Monterrey, N.L.

Control Computarizado, Departamento de Mecatrónica

26 de abril de 2015

Abstract Controlador PID en el diseño de una planta de abastecimiento de agua a escala, basada de la vida real real para ser utilizado en el futuro en escalas reales. El algoritmo PID funcionará de manera autónoma

y resolverá cualquier desnivel de agua. Los resultados obtenidos fueron aquel de un sistema independiente y autosustentable en donde por

medio de sensores y una entrada PWM mientras que el control cualitativo fue mediante un controlador PID.

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I. Introducción En el presente trabajo se aborda el diseño de una planta de abastecimiento de agua a escala, basada en condiciones reales y que pueda ser utilizado en condiciones cotidianas. El desarrollo de sistemas de éstas características se ha dado con el crecimiento poblacional en las ciudades, donde las residencias (usuarios finales) cada vez son de mayor tamaño y con mayor volumen de consumo por sector; por tanto, el costo de implementación que permita detectar el nivel y gasto exacto de agua que requiere cada una de éstas se eleva, haciendo poco viable poder contar con un sistema de abastecimiento totalmente automatizado [1]. Así mismo, la estructura y funcionamiento de los sensores medidores utilizados en residencias son poco confiables para la lectura del consumo/flujo de las mismas, debido a que tienen que ser manipulados manualmente (análoga), generando un consumo de energía considerable [2]. Por otro lado, hoy en día los sistemas de manejo de agua no cuentan con el equipo suficientemente sofisticado (software y hardware) para poder realizar estimaciones lo más precisas posibles de la demanda de agua que puede existir en una ciudad, por lo que es necesario hacer uso del método de control robusto como una solución parcial debido a la dificultad existente para realizar dichas estimaciones [3]; también, es necesario realizar implementaciones de redes de procesamiento multivariables para poder verificar tiempos de proceso, procesos de entrada y optimización del proceso para poder garantizar un funcionamiento óptimo [4,5]. El prototipo de planta aquí presentada se controlará por medio de un controlador PID para todo el sistema. Así mismo, será capaz de manipular la entrada y la transición del agua en un tanque para satisfacer los parámetros establecidos por el usuario, y con ello, suministrar la demanda a cada una de las salidas de la red de distribución (usuario final). El algoritmo de comportamiento proviene de dicho controlador, el cual se realizó en una interfaz de Labview, y de esta manera, obtener un control más dinámico. Dicho controlador se programa de acuerdo a una prueba de identificación, y obtener las constantes del PID. Por otro lado, las afinaciones y otros ajustes que el sistema podría utilizar, son modificados mediante la interfaz humana (sección II). Las pruebas experimentales realizadas constaron principalmente de pruebas de identificación del proceso de “planta”, para observar el comportamiento ante una entrada tipo escalón. Así mismo, se obtuvieron y almacenaron los datos obtenidos para determinar si el sistema es estable o no, es decir, que pueda controlarse la variable de dicho proceso; además, realizar calibración de sensores análogos para obtener una lectura lo más precisa posible. (sección III).

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II. Descripción del trabajo El proyecto presentado consiste en crear un sistema de abastecimiento de agua a escala. Para ello se crearon diferentes tipos de tanques, los cuales simulan una red de distribución real donde se concentra gran cantidad de agua, y además, en el que se busca lograr la demanda requerida de dos tanques más pequeños (red de distribución). La clave para el desarrollo del prototipo fue controlar el nivel de agua de los tanques, así como el flujo proporcionado por la apertura/cierre de las válvulas de control. La red está elaborada con un esqueleto de madera y cada tanque está diseñado con acrílico. Consiste de cinco tanques, 5 válvulas electrónicas y su respectivo programa en LabView conectado mediante un Arduino UNO y una tarjeta de adquisición de datos (NI DAQ). A través de distintos sensores se medirá el nivel del agua y flujo de cada tanque (reserva y salidas), lo cual permitirá que las válvulas abran o cierren dependiendo del “set point” estipulado. Para poder cerrar todo el sistema de distribución, se agregó un tanque que cuenta con una bomba, el cual retornará el agua a los tanques iniciales de dicha red. Para controlar el encendido y apagado de la bomba se utilizaron “limit switch” con flotadores, lo cuales se elevarán conforme el nivel aumenta, y con ello, “corte” la corriente que alimenta dicha bomba con el accionamiento de estos interruptores. Las válvulas que se utilizaron son “normalmente cerradas”, en las que se cuenta con conexión rápida por medio de manguera, lo cual facilitó el trabajo de instalación de la red. Por otro lado, se utilizaron sensores ultrasónicos, los cuales son los encargados de verificar el comportamiento del llenado, y por medio de esto, controlar la apertura de dichas válvulas. Otro aspecto importante del prototipo fue que se realizó un prototipo que cuenta con 2 niveles, esto para ayudar al flujo del agua (Figura 1) debido al efecto de la gravedad, haciéndolo más sencillo y una distribucion de agua completa (Figura 2). En general estos son los principales aspectos de nuestro proyecto, lo cual hacen muy interesante por su semejanza con las redes de distribución reales.

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Figura 1: Maqueta en etapa inicial

Figura 2: Sistema de distribución de agua basado en

gravedad

Cada tanque de agua tiene una función distinta: los tanques pequeños (Figura 3) representan los usuarios destino (residencias). Cada uno puede tener una demanda de agua distinta al otro y el sistema debe de estar preparado para abastecerlos de manera independientemente y simultánea. Hay una bomba que recicla el agua desechada por los hogares y mediante un complejo sistema de filtración el agua es purificada y enviada a un tanque central de abastecimiento ubicado en las afueras de la ciudad (representado por el desnivel del tanque). Este tanque central distribuye la cantidad necesaria a una central más centralizada de abastecimiento (una por cada colonia).

Figura 3: Ubicación de cada tanque, válvula y sensor en la maqueta.

Este sistema está basado en el sistema de Agua y Drenaje, en el cual de manera similar tienen un tanque de reciclaje de agua dentro de la empresa, el cual distribuye por sectores en donde estén localizados tanques preparados para contribuir su líquido a diferentes sectores del estado.

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Existen tres sensores ultrasónicos que miden el nivel del agua en cada tanque y mandan la información gracias al Arduino para que el programa pueda decidir cuánta agua es necesario bombear para que cada hogar tenga un abastecimiento regular y no ocurra desbordamientos o sequías.

Figura 3: Diagrama de flujo de un controlador PID para nivelación de agua

Los tanques están conectados mediantes mangueras (tubería) las cuales a su vez están interconectadas por válvulas reguladoras de flujo. Estas válvulas están programadas para abrir o cerrarse dependiendo del flujo que demande un hogar (tanque). El sensor envía una señal de que el agua está bajo el nivel deseado y una válvula anterior al tanque se abre y deja pasar el volumen justo para elevar el nivel a la cantidad deseada. De igual manera si él sucedió el caso de que hubo una sobrecarga y el nivel de agua está por encima de los niveles una válvula localizada posterior al tanque de abre y deja pasar la cantidad justa para que el nivel regrese al punto establecido por el sistema. El sistema está diseñado a base de un controlador PID que captura durante un tiempo de muestreo valores del nivel de agua en cada hogar y el tanque principal. Mediante una interfaz diseñada por el equipo se logra que el sistema sea autónomo, salvo para cualquier ajuste manual que requiera de la asistencia de un operador.

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III. Experimentos Los principales experimentos a realizar fueron la apertura de todas las válvulas individualmente para observar que todas funcionan de manera correcta. Para este punto se tenía la maqueta lista y solo las válvulas conectadas. Cómo se empezó a realizar primeramente los chequeos de los componentes, después de haber checado las válvulas se empezó a realizar el chequeo de los sensores. Con una prueba piloto de programación se observó que los sensores de nivel, marcarán las distancias correctas. Estas pruebas se realizaron primeramente con algún objeto y después se realizó la revisión utilizando agua. Estos fueron los principales y más básicas revisiones sobre los componentes electronicos que tiene nuestro proyecto. Otra prueba que se realizó en cuanto a la maqueta fue checar los tanques de acrílico, una prueba fue checar cada uno de los tanques para que no existieran fugas de agua. Otra de las pruebas principales fue checar la bomba y su funcionamiento, esto debido a que el funcionamiento de la bomba es necesario tener un nivel mínimo de agua para que funcione de manera adecuada. Se realizaron varias pruebas para poder obtener nuestra ecuación en función del tiempo para de ahí poder observar los parámetros y buscar realizar nuestro controlador. La imagen a continuación es uno de varias pruebas que se realizaron y que lamentablemente no se logró realizar. El problema vino cuando las variaciones de nuestro sensor fueron exageradas. Se tenía mucha variación en cuanto a nuestro sensor, se podía observar el nivel de agua mas no con la exactitud que se estaba buscando. Como se observa a continuación nuestro sensor siempre variaba nuestros valores, y el problema venía cuando nos daba valores muy grandes y después nos bajaba estos valores por lo que nunca se tuvieron avances totalmentes positivos. Así como la realizacion de esta prueba se realizó en distintas ocasiones donde se fue variando el tiempo de muestreo para buscar observar una mayor estabilización, pero este efecto que se estaba buscando de obtener todo positivo nunca se logró.

Figura 5: Gráfica en es estado tiempo

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Los resultados que se obtuvieron nos indican que no podríamos realizar un control de manera correcta debido a la variación de nuestro sensor. La inestabilidad que nos proporcionaba el sensor no permitía lograr un control adecuado. También al momento de estar realizando las gráficas de los resultados obtenidos uno de los aspectos que creemos que pudo afectar a los valores de nuestro proceso fue la gravedad, la gravedad y presión que se genera por la cantidad de agua tiene una influencia sobre la cantidad de agua o flujo que se tiene en la valvula.

Figura 4: Sistema de un controlador PID

Cada uno de estos términos realiza una función de control específica. El término proporcional da una salida, como su nombre lo indica, proporcional al error, es decir:

Donde Kp es una ganancia proporcional ajustable. Un controlador proporcional puede controlar cualquier planta estable, pero posee desempeño limitado y error en régimen permanente.

El término integral da una salida del controlador que es proporcional al error acumulado, lo que implica que es un modo lento de controlar. Su descripción matemática es:

Estructura del controlador PID. Señal de control = P + I + D. La fórmula general es:

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IV. Conclusión Como conclusión como mencionamos anteriormente se tuvieron muchos problemas con los sensores para poder mantener los valores estables. Esto no nos ayudó para poder lograr el control del flujo de las válvulas. El tratar de realizar un proyecto muy grande, con tantos componentes y buscar un control muy bueno, nos limitó tanto en conocimiento y como tiempo. Los imprevistos y las variaciones que se tuvieron no nos dieron el tiempo suficiente para poder lograr hacer nuestro proyecto. A pesar de que utilizamos las mejores herramientas e implementamos los conocimientos correctos para poder lograr por medio de un PID el control necesario. Al momento de que observamos nuestras gráficas y los datos obtenidos se pensó en realizar algun filtro para solo obtener los datos crecientes de nuestros sensores, pero no creemos que el control fuera el óptimo para el proyecto. Como un aprendizaje nos quedo el conocimiento y funcionamiento de las válvulas, el manejo de diferentes materiales como el acrílico, el manejo del control para un sistema de abastecimiento de agua, entre muchos otros aspectos. A pesar de que no se logró controlar el flujo del agua debido al sensor, realizamos gran cantidad de pruebas y cambios para nuestro control que al final todos aprendimos sobre lo sucedido.

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V. Referencias [1] Huang, W. et al. (2011). A self-acting water pump control system for residential buildings based on resonance water level sensor. International Conference on Electric Information and Control Engineering (ICEICE). [2] Hsia, S. et al. (2012). Remote monitoring and smart sensing for water meter system and leakage detection. IET Wireless Sensor Systems, 2(4). [3] Li, K. & Chen, S. (2008). Discrete time system robust control of urban water supply and demand management. Control and Decision Conference. [4] Bertsimas, D. et al. (2015). Robust fluid processing networks. IEEE Transactions on Automatic Control, 60 (3). [5] Zhang, X. et al (2009). A Dynamic Water Resources Management Approach in Beijing Using System Dynamics Model. International Conference on Management and Service Science. [6] National Instruments. (2009). Using the LabVIEW PID Control Toolkit with the LabVIEW Control Design and Simulation Module. 2015, de National Instruments Sitio web: http://www.ni.com/tutorial/6931/en/ [7] Muhd Asran Bin Abdullah. (Noviembre 2008). Water level in tank using level sensor and PID controller. Universiti Malaysia Pahang, 1, 26. 2015, De Universiti Malaysia Pahang Base de datos. [8] Tore Hagglund, Karl J. Astram. (August 15, 2005). Advanced PID Control. Sweden: ISA. [9] Smuts, J. F. (2011). Process control for practitioners: How to tune PID controllers and optimize control loops. League City, TX: OptiControls.

[10] Michael Barr (2002-07-30), Introduction to Closed-Loop Control, Embedded Systems

Programming, archived from the original on 2010-02-09

[11] Jinghua Zhong, Mechanical Engineering, Purdue University (Spring 2006). "PID Controller

Tuning: A Short Tutorial" (PDF). Retrieved 2013-12-04.

 

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