DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO PARA MEDICIÓN...
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO PARA MEDICIÓN DE VARIABLES: TEMPERATURA, NIVEL Y PESO PROYECTO DE GRADO PRESENTADO PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIEROS ELECTRÓNICOS UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERÍAS MEDELLÍN 2011
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO PARA MEDICIÓN DE VARIABLES: TEMPERATURA, NIVEL Y PESO
PROYECTO DE GRADO PRESENTADO PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIEROS ELECTRÓNICOS
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERÍAS
MEDELLÍN 2011
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO PARA MEDICIÓN DE VARIABLES: TEMPERATURA, NIVEL Y PESO
ANDRÉS FELIPE CERÓN BETANCUR [email protected]
DIEGO LEÓN MONTOYA ATEHORTÚA [email protected]
FERNEY ALBEIRO CANO GARCÍA [email protected]
HILDA PATRICIA TORRES CALDERÓN [email protected]
JAIME DAVID RÚA CAÑAS [email protected]
JOHN HENRY MESA VALLEJO [email protected]
JUAN ESTEBAN CLAVIJO HERNÁNDEZ [email protected]
LEIDY JOHANNA GALEANO OSORIO [email protected]
LIMBANIA MARÍA GARCÍA GARCÍA [email protected]
LUZ YADIRA ZAPATA CATAÑO [email protected]
RAFAEL JULIO MÁRQUEZ SÁENZ [email protected]
ASESOR: ANDRÉS MAURICIO CÁRDENAS TORRES
INGENIERO ELECTRÓNICO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERÍAS
MEDELLÍN 2011
Gracias a todos los que de una u otra
forma contribuyeron para que los aquí
descritos pudiéramos cumplir nuestros
sueños, metas y sobre todo salir adelante
con un propósito.
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN .......................................................................................................................... 8
ABSTRACT AND KEYWORDS ............................................................................................ 10
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 11
OBJETIVOS ....................................................................................................................... 13
OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................. 13
OBJETIVOS ESPECIFICOS ........................................................................................................... 13
MARCO CONCEPTUAL...................................................................................................... 14
2.1 SISTEMA ........................................................................................................................ 15 2.1.1 Variables .............................................................................................................................. 15
2.1.1.1 Variables de estado .......................................................................................................... 16 2.1.1.2 Variable deEntrada ........................................................................................................... 16 2.1.1.3 Variable De Salida ............................................................................................................ 16
2.1.2 Perturbaciones..................................................................................................................... 16 2.1.3 Proceso ................................................................................................................................ 16 2.1.4 Retroalimentación ............................................................................................................... 17
2.2 SISTEMA DE CONTROL ................................................................................................... 17 2.2.1 Topologías de Control .......................................................................................................... 19
2.2.1.1 Control en lazo abierto ..................................................................................................... 19 2.2.1.2 Control en lazo cerrado .................................................................................................... 20
2.2.1.2.1 Control ON/OFF ......................................................................................................... 20 2.2.1.2.2 Control de acción Proporcional (P) ............................................................................. 21 2.2.1.2.3 Control de acción Integral (I) ...................................................................................... 23 2.2.1.2.4 Control de acción Derivativo (D) ................................................................................. 24 2.2.1.2.5 Control de acción proporcional e Integral (PI) ............................................................. 25 2.2.1.2.6 Control Proporcional con acción Derivativa (PD) ......................................................... 26 2.2.1.2.7 Control Proporcional con acciones Integral Derivativo (PID):....................................... 28
2.3 MEDICIÓN Y CONTROL DE VARIABLES ........................................................................... 29 2.3.1 Temperatura ........................................................................................................................ 29
2.3.1.1 PLC (Controlador Lógico Programable) ............................................................................. 31 2.3.1.2 Relé de estado sólido ....................................................................................................... 31 2.3.1.3 Resistencia Eléctrica ......................................................................................................... 32 2.3.1.4 Termocupla Tipo K ........................................................................................................... 33
2.3.2 Nivel .................................................................................................................................... 34 2.3.2.1 Bomba ............................................................................................................................. 35 2.3.2.2 Electroválvula................................................................................................................... 36 2.3.2.3 Sensor Ultrasónico ........................................................................................................... 37 2.3.2.4 Microcontrolador PIC ....................................................................................................... 39 2.3.2.5 LabView ........................................................................................................................... 39
2.3.3 Peso..................................................................................................................................... 41 2.3.3.1 Celda de Carga ................................................................................................................. 42
2.3.4 Sistema de Bombeo ............................................................................................................. 43
MÉTODOS Y HERRAMIENTAS .......................................................................................... 44
3.1 INTRODUCIÓN ............................................................................................................... 45
3.2 IMPLEMENTACIÓN DE MODULOS.................................................................................. 48 3.2.1 Diseño Estructural ................................................................................................................ 50 3.2.2 Selección de Materiales de Construcción .............................................................................. 51 3.2.3 Selección de Equipos de Potencia ......................................................................................... 51 3.2.4 Selección de Bomba ............................................................................................................. 52 3.2.5 Selección de Equipos de Control ........................................................................................... 53 3.2.6 Selección de Sensores y Elementos Finales de Control .......................................................... 54 3.2.7 Diagrama de Conexión Eléctrica ........................................................................................... 55
4 RECOMENDACIONES ................................................................................................. 56
5 RESULTADOS Y ANÁLISIS ........................................................................................... 58
5.1 Práctica de laboratorio “Medición y Control PID de Temperatura” ............................... 58
5.2 Práctica de laboratorio “Medición y Control ON/OFF con Histéresis de Temperatura” . 60
5.3 Practica de laboratorio “Control de peso y dosificación” .............................................. 61
5.4 Práctica de laboratorio “Medición y Control de Nivel por medio de sensor ultrasónico” 61
5.5 Práctica de laboratorio “Sistema de Bombeo” .............................................................. 62
6 ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................... 63
7 TRABAJO FUTURO ..................................................................................................... 65
8 CONCLUSIONES ......................................................................................................... 66
BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 68
ANEXOS ........................................................................................................................... 69
LISTA DE FIGURAS Figura 1: Componentes de un sistema .................................................................................................. 15 Figura2: Sistema Controlado .................................................................................................................. 17 Figura 3:Parte transitoria y estacionaria, o permanente, de la salida de un sistema ......................... 18 Figura 4: Especificaciones de la respuesta transitoria .......................................................................... 18 Figura 5: Control en lazo abierto............................................................................................................. 19 Figura 6: Control On/Off .......................................................................................................................... 20 Figura 7: Control Proporcional con k=300 ............................................................................................. 21 Figura 8: Control Proporcional con k=80................................................................................................ 21 Figura 9: Ejemplos de respuestas el Control Proporcional (P)............................................................. 22 Figura 10: Diagrama de Bloques en Simulink-MATLAB ....................................................................... 22 Figura 11: Control Integral con k=150 .................................................................................................... 23 Figura 12: Control Integral con k=100 .................................................................................................... 24 Figura 13: Ejemplos de respuestas el Control Integral (I)..................................................................... 24 Figura 14: Control Derivativo con k=300 ................................................................................................ 25 Figura 15: Control Proporcional-Integral con Kp=300 y Ki=100 ........................................................... 25 Figura 16: Control Proporcional-Integralcon Kp=100 y Ki=50 .............................................................. 26 Figura 17: Ejemplos de respuestas el Control Proporcional-Integral (PI)............................................ 26 Figura 18: Control Proporcional-Derivativo con Kp=1000 y Kd=25 ..................................................... 27 Figura 19: Control Proporcional-Derivativo con Kp=1000 y Kd=10 ..................................................... 27 Figura 20: Ejemplos de respuestas el Control Proporcional-Derivativo (PD) ...................................... 27 Figura 21: Control Proporcional-Integral-Derivativo con Kp=300, Ki=500 y Kd=10 ............................ 28 Figura 22: Control Proporcional-Integral-Derivativo con Kp=1000, Ki=1000 y Kd=10 ....................... 28 Figura 23: Ejemplos de respuestas el Control Proporcional-Integral-Derivativo (PID) ....................... 29 Figura 24: Instrumento de medición de la Temperatura, Termocupla tipo K ...................................... 30 Figura 25: Diagrama de Bloques para la medición y control de la Temperatura ................................ 30 Figura 26: PLC M91-2UA2 de Unitronics ............................................................................................... 31 Figura 27: Relé de estado solido ............................................................................................................ 32 Figura 28: Resistencia Eléctrica ............................................................................................................. 33 Figura 29: Instrumento de medición de Nivel, Sensor ultrasónico ....................................................... 34 Figura 30: Diagrama de Bloques para la medición y control del nivel ................................................. 35 Figura 31: Bomba Centrifuga .................................................................................................................. 36 Figura 32: Electroválvula Danfoss .......................................................................................................... 37 Figura 33: Patrón de radiación cónico del sensor ultrasónico .............................................................. 38 Figura 34: Microcontrolador PIC 16F876 ............................................................................................... 39 Figura 35: Panel Frontal de LABVIEW ................................................................................................... 40 Figura 36: Diagrama de Bloques de LABVIEW ..................................................................................... 40 Figura 37: Instrumento de medición de peso, Celda de carga tipo S .................................................. 41 Figura 38: Diagrama de Bloques para la medición y control del peso................................................. 42 Figura 39: Diagrama de Bloques para Sistema de Bombeo ................................................................ 43 Figura 40: Sistema real de medición y control de variables ................................................................. 45 Figura 41: Sistema Global Implementado .............................................................................................. 49 Figura 42: Diseño Estructural.................................................................................................................. 50 Figura 43: Interruptor Magnetotermico ................................................................................................... 51 Figura 44: Fuente de Alimentación ......................................................................................................... 52 Figura 45: Grafica Comportamiento de la Temperatura (Control PID Automático) ............................ 58 Figura 46: Grafica Comportamiento de la Temperatura (Control PManual) ....................................... 59 Figura 47: Grafica Comportamiento de la Temperatura (Control IManual) ......................................... 59 Figura 48: Grafica Comportamiento de la Temperatura (Control ON-OFF con histéresis) ................ 60
LISTA DE TABLAS Tabla 1: Resumen características acciones de control......................................................................... 28 Tabla 2: Curvas de Temperaturas en los termopares ........................................................................... 34 Tabla 3: Lista de materiales y equipos ................................................................................................... 48
RESUMEN
Teniendo en cuenta el proceso de mejoramiento continuo de la Universidad de San
Buenaventura seccional Medellín sede San Benito, la experticia exigida por los
industriales a los profesionales recién egresados, el dinamismo del mercado colombiano
en el mundo, y la necesidad de establecer un enlace entre la industria y la academia, dio
la base para desarrollar este trabajo de grado.
A fin de encontrar una solución que concatenara todos estos problemas, se estableció
desarrollar un módulo para la medición de variables como temperatura, nivel y peso, y
estimación de caudal y el control automático en el sitio o desde una sala de control. Para
la realización del módulo se estableció un marco teórico general, se analizaron diferentes
soluciones a este problema, se diseñaron e implementaron las instalaciones eléctricas
respectivas y se procedió a la realización de prácticas académicas que permitieran la
interacción del módulo con el docente o estudiante.
Se desarrolla un módulo para la medición y control de variables típicas en la industria,
aunque con un desarrollo de bajo costo, escalable y flexible, pero que cumple con los
estándares de la industria. El proyecto consta de cuatro módulos independientes:
medición y control de Temperatura, medición de peso y control por dosificación, medición
de nivel y un sistema de bombeo, cada uno de ellos modela las características principales
de forma conjunta de un proceso industrial.
Los principales resultados con este proyecto son: desarrollo de un módulo de aprendizaje
donde los estudiantes pueden adquirir conocimientos aplicables a la industria y validar la
teoría por medio de prácticas de laboratorio, desarrollar aptitudes para afrontar
aplicaciones reales como la selección de los elementos y equipos de acuerdo a las
necesidades específicas en un gran abanico de opciones y seleccionar el control más
óptimo.
Palabras Claves: Control, LABVIEW, PID, controlador lógico programable (PLC),
modulación por ancho de pulso (PWM), (PIC), celda de carga, relevo de estado sólido,
electroválvula, resistencia de calentamiento, termocupla o termopar, bombeo, control de
peso, sensor ultrasónico, proceso, variable.
ABSTRACT AND KEYWORDS
The continuous improvement process of the Universidad San Buenaventura, Medellin
sectional, San Benito headquarters, the expertise required to recent graduate
professionals, the dynamics of the Colombian market in the world market and the need to
establish connections between the industry and the academy are the basis to develop this
graduate work.
In order to find a solution that encompasses all this issues, it was decided to develop a
module for measuring of variables such as temperature, level, weight, flow estimation and
automatic control, either in situ or from a control room. To develop said module, a general
theoretical framework was established, different solutions to the problem were analyzed,
the respective electrical installations were designed and implemented and academic
practiced were designed in order to allow the interaction between the module and teachers
or students.
A module for measurement and control of typical industrial variables is developed,
designed to a low cost, scalable and flexible solution, yet complying with applicable
industrial standards. The project is constituted by four independent modules:
measurement and temperature control, measurement and control of weigh by dosification,
level measurement and a pumping system, each of them models the main characteristics
of an industrial process.
The main results in this project are: development of a learning module where students can
obtain knowledge relevant to industry and validate the theory with laboratory practice,
develop skills to address real-world applications such as selection of items and equipment
according to specific needs in a wide range of options and select the most optimal control
Keywords: Control, LABVIEW, PID, programmable logic controller (PLC), pulse width
modulation (PWM), PIC, load cell, solid state relay, solenoid, Heat resistance,
thermocouple, pumping, weight control, Ultrasonic sensor, process, variable.
INTRODUCCIÓN
Ante la filosofía de mejoramiento continuo, inclusión de sus egresados al mercado laboral
y la importancia que ha cobrado la industria colombiana en el mundo, la Universidad de
San Buenaventura seccional Medellín sede San Benito realizó inversiones para la
construcción del nuevo bloque de Laboratorios de la Facultad de Ingenierías,
proporcionando un espacio donde se encuentran nuevas aulas, estudios para la
producción de audio y video y laboratorios para Ciencias Básicas, todo esto con la
tecnología más moderna para brindar un mejor servicio a los estudiantes.
Con este panorama y colaborando con la dotación de los laboratorios se presenta este
proyecto que, además de ser modular, flexible y con un costo menor a los del mercado,
tiene la finalidad de brindar a los estudiantes un soporte donde se puedan realizar
prácticas de laboratorio, simulando a escala procesos reales de la industria. Las
especificaciones técnicas y detalles incluidos en este proyecto representan un nivel
aproximado a las funciones de estos sistemas en las grandes industrias.
Lo que se pretende con este proyecto es la interacción de manera práctica de los alumnos
con los elementos básicos de control, reconociendo los implementos a utilizar como lo es
el PLC, módulos de manipulación de variables, aplicando principios electrónicos que
ayudan a comprobar los conocimientos teóricos vistos en clase. Un aspecto importante
del proyecto es la medición y control de variables como Temperatura (Tº), Peso (W) y
Nivel (L), implementando sub módulos independientes de cada una de las fases para
luego unificarlos en un solo proyecto que se interrelacione entre sí conformando un
proceso sistemático.
A lo largo de este trabajo se desarrollaran 4 módulos: MEDIDA Y CONTROL DE
TEMPERATURA que abordará los temas de Temperatura desde su definición básica
hasta su medición y control, MEDIDA Y CONTROL DE PESO Y DOSIFICACIÓN se tratan
las medidas de peso abordando sus principios de funcionamiento y se resaltarán los
elementos electrónicos utilizados para la medición de esta variable, MEDIDA Y
CONTROL DE NIVEL se exponen los diferentes procesos para obtener las mediciones
del nivel haciendo énfasis en los diferentes sistemas que hacen uso de las señales
ultrasónicas y por último el PROCESO DE BOMBEO en el que se hace alusión al sistema
básico de bombeo y sus principios de funcionamiento. Todo lo anterior ofrece una visión
panorámica desde la ciencia hasta la aplicación real e industrial de estos sistemas y una
guía para comprender el propósito y el alcance del proyecto.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un módulo que permita la medición y el control de las variables
Temperatura, Nivel y Peso.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Seleccionar los instrumentos y equipos a utilizar con el fin de asegurar un óptimo
funcionamiento del sistema.
Realizar las configuraciones necesarias de los diferentes dispositivos de control.
Implementar un sistema de medición y control de la variable peso mediante una celda
de carga tipo S.
Implementar un sistema de medición y control de la variable nivel mediante un sensor
ultrasónico, adaptado a un PIC para la obtención de los datos.
Desarrollar e integrar en LabView la obtención de los datos de nivel y el acceso al PLC
para realizar las tareas de control.
Diseñar e implementar una ley de control tipo PID para dosificación, utilizando una
válvula de alto switcheo.
Implementar el proceso para la generación de alarmas y paro del sistema.
MARCO CONCEPTUAL
CAPITULO 2
La finalidad primordial de los procesos industriales es transformar las materias primas en productos terminados, los cuales comprenden algunos procedimientos y variables que deben ser monitoreadas y controladas. El proceso de medición se realiza con elementos de instrumentación, que dependiendo de la variable y el entorno de la misma, pueden utilizarse diferentes tecnologías. A partir de esto, se establecen leyes de control que permitan regular los parámetros establecidos para el proceso, optimizando los factores de producción y eliminando la mano de obra pasiva, de modo que se maximice la productividad. De acuerdo a lo enunciado, un proceso industrial puede caracterizarse como una integración de elementos y variables que interactúan entre sí, las cuales conforman un sistema.
CAPITULO 2
2.1 SISTEMA El sistema define un subconjunto de elementos que convierten una señal de entrada para
obtener una función de salida. El comportamiento interno del sistema correlaciona
diferentes variables internas y externas, por lo tanto entre mayor complejidad exista en
esta interacción de los parámetros internos, el sistema será más complejo.
A pesar de los múltiples criterios que se tienen en cuenta en un sistema, los principales
componentes de este se pueden establecer cómo se enseña en la Figura 1.
Figura 1: Componentes de un sistema
Cuando existe una señal de excitación a la entrada del proceso, este así mismo produce
una salida que depende del acoplamiento entre las variables internas y externas, a su
vez, perturbaciones, ruido de medición y no linealidades, dificultan los procesos de control
que se puedan realizar.
2.1.1 Variables Las variables permiten conocer y especificar los diferentes estados de un proceso en un
intervalo de tiempo determinado, por esto, no es posible conocer, en un sistema real, la
cantidad de parámetros móviles que afectan el mismo, pues dinámicas internas; como no
linealidades, y externas al proceso, ruido de medición y perturbaciones, afectan su
comportamiento nominal.
PROCESO Variable de Entrada
Variable de Salida
Perturbación Interna
Perturbación Externa
SISTEMA
Retroalimentación
2.1.1.1 Variables de estado Para conocer las variables de estado, es necesario definir qué es un estado. Este permite
conocer el comportamiento dinámico del sistema en cualquier tiempo “t”, por lo que
muestran las transiciones durante todo el periodo de funcionamiento.
Ahora bien, las variables de estado definen el conjunto de estados con el que se puede
determinar el comportamiento de la planta. A diferencia de las salidas, las variables de
estado no necesariamente deben ser medidas.
2.1.1.2 Variable deEntrada Son las señales o estímulos necesarios para accionar el sistema a fin de producir un
efecto a su salida.
2.1.1.3 Variable De Salida Este tipo de variables enseña la respuesta del sistema luego de aplicar una entrada.
Ahora, se considera que una variable es una salida, si es posible realizar la medición
física de su magnitud.
Para este módulo las variables de salida corresponden a las medidas obtenidas de los
sensores de Temperatura, Peso y Nivel.
2.1.2 Perturbaciones Las perturbaciones son eventos internos o externos que alteran el comportamiento
nominal de la planta, por lo que se convierten en un aspecto clave al momento de
establecer leyes de control.
2.1.3 Proceso Se puede establecer que el proceso es una caja negra, como lo manifiestan algunos
autores, que determina el funcionamiento de un sistema. Es necesario aclarar que cuando
se utiliza el término proceso, se está haciendo énfasis a la dinámica de la planta sin tener
en cuenta cualquier agente externo a ella; como las entradas o salidas. Por lo que no
debe confundirse a un Sistema con un Proceso.
2.1.4 Retroalimentación La realimentación como también la llaman algunos autores, es un método para
acondicionar un sistema para que siga una referencia que se le ha indicado. Debido a las
bondades que tienen la realimentación, tanto en el tiempo como en frecuencia, es un
método para establecer técnicas de control mucho más estables, en comparación a un
sistema sin realimentación con controlador en lazo abierto. 2.2 SISTEMA DE CONTROL Cuando se desea manipular una planta para que cumpla ciertos objetivos establecidos
por un operario, se debe determinar una ley de control que satisfaga las necesidades
puntuales del usuario y tenga en cuenta el comportamiento nominal de la planta. Se llama
Sistema de Control o Ley de Control, a una ganancia o dinámica que permita llevar el
sistema de un estado inicial a otro final en un tiempo finito a partir de señales de control
sin restricciones. La Figura 2 enseña un sistema de control por realimentación de salida,
sin embargo es de aclarar que dependiendo de las necesidades pueden aplicarse leyes
de control sin realimentación o con realimentación de estados.
Figura2: Sistema Controlado
Los elementos del sistema de control interactúan para llevar la salida del sistema a la
referencia. El controlador tiene en cuenta el error entre los datos obtenidos por los sensores y la
referencia, y determina que acción debe realizarse para que los actuadores lleven el
sistema a un nuevo estado. Los actuadores son dispositivos eléctricos, mecánicos,
hidráulicos, etc., que generan una entrada de excitación al proceso que la planta ejecuta.
Los sensores permiten conocer la transformación que sufre la entrada cuando pasa por la
planta, por lo que dependiendo de la variable de salida, permitirá medir físicamente su
valor.
La respuesta transitoria de un sistema dinámico como el indicado anteriormente, consta
de dos partes:
Parte transitoria y
La permanente o estacionaria.
Figura 3: Parte transitoria y estacionaria, o permanente, de la salida de un sistema.
La parte transitoria influye en el comportamiento del sistema, por lo tanto se da a conocer
las especificaciones mínimas tener en cuenta en la respuesta del sistema:
Figura 4: Especificaciones de la respuesta transitoria.
: Tiempo de Retardo, Es el tiempo que tarda la respuesta del sistema en alcanzar por
primera vez la mitad del set point o valor referencia.
: Tiempo de Subida, Es el tiempo que necesita el sistema para que la respuesta llegue
por primera vez a su valor de set point.
: Tiempo de Pico, Es el tiempo en el que la respuesta de sistema alcanza su máximo
valor.
: Tiempo de Estabilización, Es el tiempo que necesita el sistema para que su señal de
salida permanezca dentro de unos límites determinados alrededor del set point.
: Máximo Sobreimpulso, Es el valor del máximo de la respuesta del sistema medido a
partir de su set point.
2.2.1 Topologías de Control Para determinar qué tipo de control deberá ser utilizado, es necesario conocer las
cualidades y deficiencias que tiene el sistema, así como el número de entradas, salidas,
calidad de los equipos de medición, sitio en el que se encuentra la planta, etc. Todo esto
influye en la selección del controlador, pues entre más complejas sean las necesidades
de control, más difícil será el diseño del mismo.
2.2.1.1 Control en lazo abierto El control en lazo abierto no posee retroalimentación y por lo tanto la salida del sistema no
se compara con la referencia, para ejecutar alguna acción de control.
Figura 5: Control en lazo abierto
Este tipo de controladores se utiliza en sistemas en los que no se necesiten referencias
diferentes, no esté sometido a perturbaciones y la precisión en el seguimiento de la
referencia no sea crítica.
PROCESO Actuador
Perturbaciones
Entrada Salida
2.2.1.2 Control en lazo cerrado El control en lazo cerrado, se basa en restar la retroalimentación de la salida sistema y un
valor de referencia. Esta topología de control tiene como fin hacer que el error de la salida
respecto a la referencia sea cero. Usualmente se utiliza esta técnica de control en
sistemas en los que su referencia es cambiante, adicionalmente por su comportamiento,
permite atenuar el ruido de medición y las perturbaciones externas.
Al seleccionar la topología que tendré el controlador que va a ser implementado, se debe
definir qué tipo de ley de control se adapta a las necesidades puntuales de la planta.
Cómo ya se observó anteriormente, todo dependerá del tipo de referencia que se desea
siga el sistema, la cantidad de variables que intervienen en el comportamiento de la
planta, la capacidad de rechazo a perturbaciones y ruido de medición, entre otros. Por
esto se debe evaluar qué tipo de controlador va a implementarse.
2.2.1.2.1 Control ON/OFF Este método de control enciende o apaga el o los actuadores, si la señal o señales de
salida han sobrepasado la referencia. Esto provoca que la salida del sistema sea
oscilatoria y la disminución del tiempo de vida del actuador.
Figura 6: Control On/Off.
Estos contralores presentan errores de estado estable muy altos, por lo que solo se
utilizan en casos donde la referencia y el consumo de energía no son importantes para el
desarrollo.
2.2.1.2.2 Control de acción Proporcional (P) El controlador proporcional genera a la salida una señal de control que es proporcional a
la señal de error, como se puede ver en la Figura 7 y Figura 8, además, se puede
observar que cuando la ganancia de control proporcional es mayor, el error es menor.
Figura 7: Control Proporcional con k=300
Figura 8: Control Proporcional con k=80
Figura 9: Ejemplos de respuestas el Control Proporcional (P)
Para generar las gráficas se utilizó el componente Simulink de MATLAB, colocando como
entrada un escalón unitario, un control PID que de acuerdo a los valor de las ganancia
que se le dé puede ser un control P, I, D, PI, PD o PID y un proceso de segundo orden a
analizar. El elemento “Scope” sirve para graficar las señales, que en este caso fueron la
señal del set point, señal de error y señal de salida y el elemento “ToWokspace” sirve
para generar la base de datos obtenida al simular este diagrama de bloques.
Figura 10: Diagrama de Bloques en Simulink-MATLAB
Teniendo en cuenta las Figura 9, se puede concluir que el aumento de la ganancia del
control proporcional permite reducir el error en estado estacionario, sin embargo, no lo
elimina. Además, la utilización de valores altos de ganancia, puede provocar:
La aparición de saturación en algunos elementos, haciendo que el sistema entre
en régimen no lineal
La inestabilidad del sistema en algunos casos
Por lo tanto si el sistema, debido a su naturaleza, requiere la eliminación de estos
inconvenientes resulta necesario combinar la acción de control proporcional con otras
alternativas.
2.2.1.2.3 Control de acción Integral (I) El control integral proporciona una señal que es función de la “historia de la señal de
error”, permitiendo una señal de control diferente de cero aunque la señal de error sea
cero, cosa que no ocurre con el control proporcional, donde si la entrada de control es
cero la señal del error es cero.
Sin embargo, la acción de control integral puede agravar sustancialmente la estabilidad
relativa del sistema, aumentando el sobre impulso de la respuesta transitoria y pudiendo
llegar a ser que se vuelva inestable. Por ello puede resultar conveniente que la acción
integral se acompañe de otras acciones de control.
Figura 11: Control Integral con k=150
Figura 12: Control Integral con k=100
Figura 13: Ejemplos de respuestas el Control Integral (I)
2.2.1.2.4 Control de acción Derivativo (D) Entre las características de usar un control derivativo, se encuentra:
Aporta alta sensibilidad.
Pronostica el error, iniciando una acción oportuna. Esto es debido a que responde
a la velocidad del cambio del error y ejecuta una acción de control significativa
antes de que la magnitud del error se vuelva demasiado grande.
Tiende a aumentar la estabilidad del sistema.
Amortiguamiento del sistema, lo cual puede influir en una mejora en la precisión en
estado estable.
Cuando el tiempo de acción derivada es grande, hay inestabilidad en el proceso y
cuando el tiempo de acción derivada es pequeño la variable oscila demasiado con
relación al set point.
Debido a que el control derivativo opera sobre la velocidad de cambio del error, y no sobre
el error mismo, este modo nunca se usa solo. Siempre se emplea junto con una acción de
control proporcional o proporcional e integral.
Figura 14: Control Derivativo con k=300
2.2.1.2.5 Control de acción proporcional e Integral (PI) El control proporcional integral reduce el tiempo de subida, aumenta el sobreimpulso y el
tiempo de estabilización, y tiene el efecto de eliminar el error de estado estable pero
agrava la respuesta transitoria.
Figura 15: Control Proporcional-Integral con Kp=300 y Ki=100
Figura 16: Control Proporcional-Integral con Kp=100 y Ki=50
Figura 17: Ejemplos de respuestas el Control Proporcional-Integral (PI)
2.2.1.2.6 Control Proporcional con acción Derivativa (PD) El efecto del control proporcional derivativo influye en la estabilidad del sistema. La acción
del control proporcional disminuye el sobre impulso y tiempo de estabilización, por lo tanto
tiene el efecto de aumentar la estabilidad al sistema mejorando la respuesta del sistema.
La acción derivativa tiene la ventaja de pronosticar, sin embargo, amplifica las señales de
ruido y puede provocar un efecto de saturación en el sistema.
Figura 18: Control Proporcional-Derivativo con Kp=1000 y Kd=25
Figura 19: Control Proporcional-Derivativo con Kp=1000 y Kd=10
Figura 20: Ejemplos de respuestas el Control Proporcional-Derivativo (PD)
2.2.1.2.7 Control Proporcional con acciones Integral Derivativo (PID): Esta acción tiene las ventajas de cada una de las acciones proporcionales, integrales y
derivativas.
La siguiente tabla resume las características de los controles mencionados Acción de
Control Tiempo de
Subida Sobreimpulso Tiempo de Estabilización
Error en Estado Estable
Proporcional (P) Decrece Crece Cambio Menor Decrece Integral (I) Decrece Crece Crece Se elimina
Derivativa (D) Cambio Menor Decrece Decrece Cambio Menor Tabla 1: Resumen características acciones de control
Figura 21: Control Proporcional-Integral-Derivativo con Kp=300, Ki=500 y Kd=10
Figura 22: Control Proporcional-Integral-Derivativo con Kp=1000, Ki=1000 y Kd=10
Figura 23: Ejemplos de respuestas el Control Proporcional-Integral-Derivativo (PID)
2.3 MEDICIÓN Y CONTROL DE VARIABLES
2.3.1 Temperatura La temperatura representa una de las variables más medidas y controladas en la
industria.
Es la magnitud física que representa el grado de excitación molecular de la materia. Como
variable de estado, la temperatura es una de las más comunes e importantes en los
procesos industriales, pues interviene en todo fenómeno o proceso que se quiera analizar
ya sea de manera pasiva (permaneciendo constante, fenómeno isotérmico) o activa
(variando directamente o afectando otras variables).
A continuación se lista algunos instrumentos de medición de la temperatura utilizados en
la industria:
Termómetros de vidrio
Termopares Tipo K, E, J, T, N, entre otros
Detectores de temperatura resistivos o RTD
Elementos de bulbo o capilar
En este trabajo de grado se utilizará como instrumento de medición de la temperatura el
Termopar o Termocupla de Tipo K (Ver figura 24). Una ventaja de las Termocupla sobre
otros tipos de sensores es la posibilidad de construir el sensor adaptado a una aplicación
específica, normalmente muy robustas y económicas y abarcan un rango de temperaturas
muy amplio las hacen las indicadas para muchas aplicaciones.
Figura 24: Instrumento de medición de la Temperatura, Termocupla tipo K
El sistema o diagrama de bloques para medición y control de la temperatura es el
siguiente:
Figura 25: Diagrama de Bloques para la medición y control de la Temperatura
Donde el PLC es el control, el relé de estado sólido en conjunto con la resistencia
eléctrica es el actuador y la Termocupla Tipo K es el sensor del proceso. El relé de estado
sólido es el elemento que permite activar una carga de mayor voltaje y consumo de
corriente como la necesaria para activar la resistencia eléctrica a partir de una señal de
control de bajo voltaje y corriente como la señal dada por el PLC.
A continuación se describe cada uno de los componentes de este sistema
2.3.1.1 PLC (Controlador Lógico Programable) Equipo electrónico diseñado para programar y controlar procesos secuenciales en tiempo
real. Es posible conectar captadores de señal como: sensores, pulsadores, finales de
carrera etc. y actuadores tales como contactores, relés, lámparas, etc.
El PLC utilizado es el M91-2UA2 de Unitronics, Es un equipo compacto tiene integrado el
display y el módulo de entradas y salidas.
Figura 26: PLC M91-2UA2 de Unitronics
Características:
12 Entradas Digitales
2 Entradas Análogas
2 Salidas Análogas
10 Salidas Digitales
1 Puerto RS-232/485
2.3.1.2 Relé de estado sólido Elemento utilizado para controlar elevadas cargas de potencia a partir de señales de
control de bajo voltaje e intensidad, encargado de controlar la carga de la resistencia.
Se llama relé de estado sólido a un circuito híbrido, normalmente compuesto por un opto
acoplador que aísla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso por cero de la
corriente de línea y un triac o dispositivo similar que actúa de interruptor de potencia. Su
nombre se debe a la similitud que presenta con un relé electromecánico; este dispositivo
es usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo de los
contactos del relé que en comparación con un relé convencional generaría un serio
desgaste mecánico, además de poder conmutar altos amperajes que en el caso del relé
electromecánico destruirían en poco tiempo los contactos. Estos relés permiten una
velocidad de conmutación muy superior a la de los relés electromecánicos.
El relé de estado sólido utilizado en la práctica es elHSR-2D402Z, marca Hanyoungnux.
Figura 27: Relé de estado solido
Características:
Voltaje de entrada: 3-32
Voltaje de salida: 220
Corriente Máxima: 40 Amperios
2.3.1.3 Resistencia Eléctrica Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un
circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas
eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito
eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la
corriente eléctrica.
Se denomina resistencia eléctrica (R) de una sustancia o materia a la oposición que
encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia. Depende de
varios factores:
Naturaleza del material con el que está hecho el conductor.
Su geometría (su extensión y superficie, área o sección).
Su valor viene dado en ohm u ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula
(Ω), y se mide con el Óhmetro. Técnicamente se define como la oposición que ofrece un
cuerpo a un flujo de corriente que intenta pasar a través de él.
Figura 28: Resistencia Eléctrica
La resistencia utilizada posee las siguientes características
Potencia: 2100Watts
Alimentación: 220
2.3.1.4 Termocupla Tipo K La Termocupla de Tipo K es un sensor formado por la unión de dos metales distintos y su
comportamiento se basa en el efecto Seebeck según el cual, cuando se aplica una
diferencia de temperatura entre los extremos libres de dos hilos conductores de diferente
material, se genera una diferencia de potencial o fuerza electromotriz (FEM).
Desde el punto de vista de su construcción los termopares están encapsulados y
protegidos por un material según el evento donde se lleve a cabo la medición,
normalmente el material más utilizado para estos dispositivos es acero inoxidable.
Según los materiales utilizados (metales puros o aleaciones de metales) existen varias
clases de termopares los cuales se les ha asignado una letra que los caracteriza cada uno
con sus características como linealidad, sensibilidad y rango:
Tipo de termopar Materiales Rango normal
J Hierro –Constantan -190 ºC a 760 ºC
T Cobre –Constantan Cobre – (Cobre-Níquel) - 200 ºC a 370 ºC
K Cromel–Alumel (Cromo-Níquel) – (Aluminio-Níquel) -190 ºC a 1260 ºC
E Cromel–Constantan -100 ºC a 1260 ºC S (90% Platino + 10% Rodio) - Platino 0 ºC a 1480 ºC R (87% platino + 13% Rodio) - Platino 0 ºC a 1480 ºC
Tabla 2: Curvas de Temperaturas en los termopares
2.3.2 Nivel La variable nivel sirve particularmente para conocer y controlar la cantidad almacenada de
líquidos o sólidos en tanques, y por lo tanto, es una medida directa del volumen o masa. A
continuación se lista algunos instrumentos de medición de nivel utilizados en la industria:
Medidores mecánicos
Medidores inductivos y capacitivos
Medidores de sonda
Indicadores de vidrio
Medidores ultrasónicos
Medidor por radar
Medidores ópticos
En este proyecto se utilizará como instrumento de medición del nivel el Sensor
Ultrasónico SRF05.
Figura 29: Instrumento de medición de Nivel, Sensor ultrasónico
El sistema o diagrama de bloques para medición y control del nivel es el siguiente:
Figura 30: Diagrama de Bloques para la medición y control del nivel
Donde el PLC es el control, la bomba en conjunto con la electroválvula es el actuador y la
Termocupla Tipo K es el sensor del proceso. Debido a las características del PLC no es
posible comunicar directamente el sensor ultrasónico con este, por lo tanto el PIC es el
elemento que comunica con el sensor ultrasónico con el PLC.
El LabView es un software y/o herramienta que se incorporó para el monitoreo de las
variables y la activación de la válvula y la bomba. El PLC utilizado fue el descrito en la
sección 2.3.1.1.
A continuación se describe cada uno de los componentes de este sistema
2.3.2.1 Bomba La bomba es un aparato que absorbe energía mecánica y la transforma en energía que es
transferida a un fluido como energía hidráulica permitiendo que éste pueda ser
transportado de un lugar a otro, con un mismo y/o diferente(s) nivele(s) y/o a diferentes
velocidades, forzando a que este fluido circule en un sentido determinado.
Se pueden considerar dos grandes grupos de tipo de bombas: Dinámicas (Centrífugas,
Periféricas y Especiales) y de Desplazamiento Positivo (Reciprocantes y Rotatorias).
En este trabajo de grado se utilizará una bomba periférica marca Leo
Figura 31: Bomba Centrifuga
A las bombas centrifugas se les inyecta energía continuamente para aumentar las
velocidades de los fluidos dentro de ella, incrementando la presión, ésta son utilizadas en
la industria debido a que:
Son aparatos giratorios.
No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy
sencillos.
La impulsión eléctrica del motor que la mueve es bastante sencilla.
Para una operación definida, el gasto es constante y no se requiere dispositivo
regulador.
Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias.
El espacio requerido es aproximadamente 1/8 del de la bomba de émbolo
equivalente.
El peso es muy pequeño y por lo tanto las cimentaciones también lo son
2.3.2.2 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 solenoide.
Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la válvula. El solenoide
convierte la energía eléctrica suministrada en energía magnética y esta a su vez la
transforma en mecánica para actuar la válvula.
Para este trabajo de grado se hará uso de una electroválvula marca Danfoss código:
032U3606, esta usa una bobina también marca Danfoss código: 018F6260 con
características especiales como es el alto switcheo, sistema tipo clip-on para un fácil
acoplamiento y extracción, bobina encapsulada de vida útil prolongada y temperatura
ambiente: hasta +80°C con cable integrado para entornos húmedos.
Figura 32: Electroválvula Danfoss
2.3.2.3 Sensor Ultrasónico El sensor ultrasónico es un dispositivo que a través de un transductor, emite una serie de
ondas intermitentes las cuales son dirigidas en forma de cono hacia una superficie. Estas
ondas son reflejadas y recibidas nuevamente por el transductor que a la vez mide y
convierte el tiempo empleado durante este proceso, en unidades de distancia.
Es importante tener en cuenta que existen diversas variables que intervienen en un dato
real para dichas medidas, como los distintos factores ambientales (humedad,
temperatura, gases, etc.), movimiento de material en el tanque, también la distancia entre
la superficie y el sensor, la forma de la superficie, el ángulo de las ondas; variables que a
pesar de que son editadas por el sensor, pueden el algún momento ser considerables
dependiendo de su intensidad.
El funcionamiento de un sensor ultrasónico se basa en el envió de ultrasonido hacia un
obstáculo, estas ondas cónicas después de ser enviadas y rebotar en el obstáculo son
recibidas de nuevo por un transductor, el tiempo que tarda el paquete en ir y volver se
debe escalar a unidades de distancia. Teóricamente se usan los principios de oscilación,
frecuencia, sonido, dispersión, difracción e interferencia.
Para asegurar un correcto funcionamiento del sensor debemos garantizar; una buena
superficie para que el eco se refleje con mayor fuerza, además, que el tamaño del objetivo
sea grande para que la señal pueda reflejarse en una mayor porción del obstáculo; el
ángulo de inclinación de la superficie con el sensor debe ser perpendicular, de lo contrario
la señal rebotará y se alejará del receptor del sensor; La distancia, entre más corta
garantiza que el eco se refleje con mayor fuerza, de lo contrario se deben mejorar las
características del material.
Patrón de radiación cónico del sensor ultrasónico
Figura 33: Patrón de radiación cónico del sensor ultrasónico
Generación del Ultrasonido
El método más común para generar ultrasonido es el efecto piezoeléctrico, surge de la
propiedad física de algunos cristales naturales o sintetizados de experimentar potencial
eléctrico cuando son sometidos a una deformación mecánica. Otros cristales cuando son
sometidos a un campo magnético también experimentan distorsiones mecánicas, Cuando
se comprime el cristal, los átomos ionizados (cargados) presentes en la estructura de
cada celda de formación del cristal se desplazan, provocando la polarización eléctrica de
ella.
Se debe tener en cuenta que los factores externos al sistema pueden afectar la medición
por ultrasonido como los factores ambientales, adicionalmente, encontramos factores
enlazados al sistema como lo son las superficies, el ángulo de medición, y la distancia
entre el sensor y el objetivo.
2.3.2.4 Microcontrolador PIC El microcontrolador utilizado en la práctica para la lectura del sensor es elPIC 16F876
Microchip de bajo costo, de alto rendimiento para ejecutar programas asignados hasta 35
instrucciones de simples palabras, opera con un voltaje DC a una velocidad de reloj de
entrada de 20 MHz y un ciclo de instrucciones de 200ns.
Figura 34: Microcontrolador PIC 16F876
Tiene una memoria FLASH de 8k, una RAM de 368 bytes, una EEPROM de 256
bytes.
Los pines de salida son compatibles con los PIC 16C73B/74B/76/77.
Tiene un reset (POR).
Tiene un Timer (PWRT) y un oscilador de inicio de tiempo (OST).
Posee un código de protección programable.
Opera en un rango de voltaje de 2 v a 5.5v DC.
Procesador de lectura y escritura en el programa de guardado.
2.3.2.5 LabView LabView es un entorno de programación gráfica para realizar adquisición de datos, control
de instrumentos, análisis de mediciones y presentaciones de datos.
Su mayor virtud, es que la programación es a través de gráficos o bloques, simplificando
así el desarrollo de programas por líneas de código.
LabView está altamente integrado con el hardware de medida, con lo que se puede
configurar y usar rápidamente cualquier dispositivo de medida que se tenga. Con LabView
puede conectarse a miles de instrumentos de medida para construir sistemas de medida
completos como lo necesario para este trabajo de grado
Los programas elaborados en LabView se conocen como VIs o Virtual
Instruments (Instrumentos Virtuales) y están constituidos por dos paneles:
Panel Frontal: Es la Interfaz gráfica con el usuario donde se puede ir observando
los datos del programa actualizados en tiempo real. En esta panel se definen
los controles que son las entradas (botones, marcadores, etc.) e indicadores que
son las salidas (graficas, etc.).
Figura 35: Panel Frontal de LABVIEW
Diagrama de Bloques: Es el panel en donde se construye el código fuente del VI.
Es el programa como tal, en donde se colocan bloques con cierta funcionalidad
que conectados estratégicamente.
Figura 36: Diagrama de Bloques de LABVIEW
La última versión de LABVIEW es la 2010, sin embargo, para el presente trabajo de grado
se utilizara la versión 6.0 por efectos de adquisición de la licencia por parte de la
Universidad.
2.3.3 Peso El peso es una variable cuantitativa continua que describe la fuerza con la que es atraído
un objeto a la tierra o la fuerza ejercida sobre un objeto por la gravedad.
A continuación se lista algunos instrumentos de medición de peso utilizados en la
industria:
Balanza mecánica de brazo.
Balanza pendular.
Celdas de cargas hidráulicas, neumáticas y eléctricas.
Balanza que utiliza método radiactivo.
En este proyecto se utilizará como instrumento de medición de peso la Celda de Carga
Tipo S marca Lexus.
Figura 37: Instrumento de medición de peso, Celda de carga tipo S
El sistema o diagrama de bloques para medición y control del peso es el siguiente:
Figura 38: Diagrama de Bloques para la medición y control del peso
Donde el PLC es el control, la bomba en conjunto con la electroválvula es el actuador y la
Celda de Carga es el sensor del proceso. Debido a las características del PLC no es
posible comunicar directamente el sensor ultrasónico con este, por lo tanto el PIC es el
elemento que comunica con el sensor ultrasónico con el PLC.
El PLC, la bomba y la electroválvula fueron descritas en la sección 2.3.1.1, sección 2.3.2.1
y sección 2.3.2.2 respectivamente.
2.3.3.1 Celda de Carga Las celdas de carga también son nombradas como load cells y se utilizan en gran
cantidad de sistemas de pesaje electrónicos. Las celdas de carga son dispositivos que
permiten medir la magnitud de una fuerza que se está aplicando sobre ellas en un sentido
determinado.
El principio básico de una celda de carga está basado en el funcionamiento de cuatro
galgas extensiométricas resistivas (straingauge), estas al deformarse, cambian su valor
de resistencia y permiten estimar el valor de peso.
Una celda de carga se puede clasificar como un transductor de fuerza, es decir, puede
convertir un vector fuerza o peso en una señal eléctrica. La celda de carga posee un
detector de deformación el cual se define como un dispositivo que cambia su resistencia
cuando está fatigado o forzado.
2.3.4 Sistema de Bombeo El conjunto de elementos que permiten el transporte de fluidos a través de las tuberías y
los sistemas de almacenamiento temporal es lo que se constituye como un sistema de
BOMBEO, todo esto para cumplir con las especificaciones de caudal y presión las cuales
son necesarias en los diferentes sistemas y procesos incompresibles, y más
concretamente de líquidos.
El sistema o diagrama de bloques para medición y control del peso es el siguiente
Figura 39: Diagrama de Bloques para Sistema de Bombeo
MÉTODOS Y HERRAMIENTAS
CAPITULO 3
Este capítulo enseña la metodología utilizada para el desarrollo del módulo de medición de variables. Así mismo describe las herramientas y los métodos seguidos para el desarrollo del dispositivo. El capítulo a su vez muestra los diagramas eléctricos que pueden ser utilizados para futuras modificaciones del módulo.
CAPITULO 3
3.1 INTRODUCIÓN El sistema de medición de variables está constituido por un conjunto de sensores,
actuadores, tanques y dispositivos de potencia que pueden ser observados en la figura
40.
El modulo está diseñado para el desarrollo de diferentes prácticas de laboratorio
simulando diferentes tipos de procesos industriales los cuales se componen de la
siguiente forma
Figura 40: Sistema real de medición y control de variables
Modulo control de temperatura: El proceso consiste en ejercer control de temperatura al líquido del tanque N⁰1 por medio
de una resistencia eléctrica para el calentamiento del agua. Los elementos que
intervienen son:
Resistencia eléctrica
Relé de estado solido
Sensor de temperatura
Motor agitador
PLC
El proceso inicia con el calentamiento de la resistencia y la activación del motor agitador,
se dispone de un sensor de temperatura que es llevado a un PLC que se encarga de
realizar el control y sostener la temperatura.
Modulo control de peso y dosificación Consiste en llevar el líquido desde el tanque N⁰1 hacia el tanque N⁰2 por medio de la
bomba y de activar las válvulas correspondientes para el llenado y vaciado por
dosificación, los elementos que intervienen son:
Bomba
Electroválvulas
Celda de carga
PLC
El proceso inicia activando la válvula de salida del tanque N⁰1 y la válvula de entrada al
tanque N⁰2, posteriormente se activa la bomba para el envío del líquido, la celda de carga
envía la señal al PLC y este se encarga del monitoreo y control de llenado, el siguiente
paso en el proceso es el dosificación el cual consiste en vaciar un valor establecido de
nuevo al tanque N⁰1 de forma controlada.
Modulo Control de nivel Consiste en llevar el líquido desde el tanque N⁰1 hacia el tanque N⁰3 por medio de la
bomba y de activar las válvulas correspondientes para el llenado, los elementos que
intervienen son:
Bomba
Electroválvulas
Sensor de nivel ultrasónico
Microcontrolador
PLC
El proceso inicia activando la válvula de salida del tanque N⁰1 y la válvula de entrada al
tanque N⁰3, posteriormente se activa la bomba para el envío del líquido, el sensor
ultrasónico se comunica con el microcontrolador y éste a su vez envía la señal al PLC el
cual se encarga del monitoreo y control de llenado, una vez alcanzado el nivel el sistema
se apaga indicando nivel alcanzado, una vez alcanzado el nivel el sistema indica la opción
de descargar de nuevo el líquido al tanque N⁰1 con el fin de poder iniciar de nuevo el
llenado.
Modulo Sistema de bombeo Consiste en llevar el líquido desde el tanque N⁰1 hacia los tanques N⁰2 y N⁰3 por medio
de la bomba y de activar las válvulas correspondientes para el llenado dependiendo del
tanque seleccionado o si se envía a los dos de modo simultáneo, los elementos que
intervienen son:
Bomba
Electroválvulas
Sensor de nivel ultrasónico
Celda de carga
Microcontrolador
PLC
El proceso inicia activando la válvula de salida del tanque N⁰1 v y la válvula de entrada
del tanque seleccionado, posteriormente se activa la bomba para el envío del líquido, el
sensor respectivo de acuerdo al tanque seleccionado envía la señal al PLC el cual se
encarga del monitoreo y control de llenado, una vez alcanzado el nivel el sistema se
apaga indicando nivel alcanzado, una vez alcanzado el nivel el sistema indica la opción de
descargar de nuevo el líquido al tanque N⁰1 con el fin de poder iniciar de nuevo el
bombeo.
.
Ítem Descripción del equipo Cant. Referencia Marca 1 PLC 1 M91-2-UA2 Unitronics
2 Tanques en Acero Inox 304. Con capacidad para 28 litros 3 N/A Servinox
3 Bomba de agua 1 XKM60-1 LEO 4 Estructura metálica 1 N/A Servinox 5 Tablero eléctrico 1 N/A Metalandes y Rebra
6 Motor agitador -115v 60 Hz 60V. N34-45f 1 NET4U34NNN211 IPR
7 Celda de peso 1 B9120650 LexusElectronisScales 8 Válvulas solenoides on-off 3 EV220A (NC) Danfoss 9 Válvulas solenoides on-off 1 EV210B Danfoss
10 Sensor de Temperatura (Termocupla tipo K) 1 HMP-K Omega
11 PIC 1 16f87X Microchip 12 Sensor Ultrasónico de Nivel 1 SRF05 Microsystemengineering
13 Resistencia eléctrica. 220V-2100W 1 9109901 Resiluz
14 Interruptor Bipolares 5 15 Relé de estado solido 2 HSR-2D402Z Hang Young 16 Relé de control 5 Finder 17 Fuente de alimentación 1 Mean Well 18 Borneras de control 25
Tabla 3: Lista de materiales y equipos
3.2 IMPLEMENTACIÓN DE MODULOS El sistema de conexión global implementado para la medición de las diferentes variables
se puede observar en la Figura 411.
Figura 41: Sistema Global Implementado
La implementación del módulo se basa en la necesidad de simular a pequeña escala los
procesos que normalmente se realizan en la industria tales como:
Medición y control de temperatura
Medición y control de nivel
Medición y control de peso
Sistemas de bombeo
Por lo tanto se tuvo en cuenta los siguientes aspectos en la construcción del módulo de
pruebas:
Diseño estructural
Selección de materiales de construcción
Selección de equipos de potencia
Selección de bomba
Selección de equipos de control
Selección de sensores y elementos finales de control
Diagramas de conexión eléctrica
3.2.1 Diseño Estructural El diseño debía cumplir varios aspectos de implementación. Ya que los usuarios finales
son docentes y estudiantes, fue necesario asegurar que todos los sensores y actuadores
del sistema tuviesen accesibilidad y a su vez estuviesen lo suficientemente asegurados
para evitar cualquier incidente por descuido. Así mismo, y debido de nuevo a la seguridad
del usuario, fue necesario asegurar que el dispositivo no presentara fugas eléctricas y de
líquido que pudieran afectar a cualquier persona que hiciera uso del mismo. Debido a que
el módulo incluye una resistencia eléctrica para calentar el agua, se necesitó asegurar
que toda la tubería, sensores y actuadores, toleraran la temperatura máxima del líquido.
Por último, a fin de asegurar la movilidad del módulo, se estableció que pudiese
desplazarse por cualquier lugar dentro del laboratorio. La Figura 422 muestra algunos
puntos clave del módulo.
Figura 42: Diseño Estructural
3.2.2 Selección de Materiales de Construcción Los materiales fueron seleccionados previendo la manipulación que tendrá el módulo.
Debido a que su usuario principal es el estudiante, se aseguraron materiales que
proveyeran resistencia para que los dispositivos se mantuvieran operables en el tiempo.
La estructura hecha de hierro, los tanques de acero inoxidable con capacidad de 28 lt y
una tubería en PVC de temperatura, aseguran cumplir las necesidades del usuario final.
3.2.3 Selección de Equipos de Potencia Con el fin de proteger los elementos que intervienen en el sistema se utilizó un interruptor
bipolar principal con alta capacidad de manejo de corriente 25Amp para evitar daños por
cortocircuito. Diferentes interruptores de protección de baja corriente permiten la
desconexión inmediata de los diferentes elementos de recepción, como la resistencia
eléctrica, la fuente de alimentación del PLC, fuente de alimentación de la celda de carga,
el motor agitador y el motor de la bomba.
El modulo está protegido por interruptores magneto-térmicos que desconectan la
alimentación hacia los elementos finales (resistencia, motores) una vez ocurra un
cortocircuito o una elevación inesperada de corriente.
Figura 43: Interruptor Magnetotermico
Se dispone de un relé de estado sólido utilizado como medio para controlar la carga
ejercida por la resistencia eléctrica; la cual tiene un consumo de potencia de 2100 Watios
a partir de una señal de control que es activada desde el PLC
El elemento utilizado para el calentamiento del agua en el tanque N⁰1 es la resistencia y
su diseño es realizado en base a la posibilidad de introducirlo en el tanque de forma
lateral, roscada y en contacto con el agua.
La resistencia seleccionada tiene un consumo de 2100 Watios a 220VAC con el fin de
poder conectarse al suministro eléctrico de los tomas de la Universidad.
Se realizó un cálculo aproximado del consumo de corriente de todo el sistema para la
selección de los equipos de protección y teniendo en cuenta el suministro de voltaje y
corriente disponibles en los tomas de la Universidad sin afectar o provocar un daño en las
instalaciones eléctricas.
Se utilizó una fuente de alimentación capaz de suministrar voltaje de DC y la corriente
necesaria para energizar el PLC y los relés de control con las siguientes características:
Alimentación: 100-240 Vac
Frecuencia: 50/60 Hz
Salida: 24 Vdc 2.5Amp
Figura 44: Fuente de Alimentación
3.2.4 Selección de Bomba
La selección de la bomba se basó en la presión y el volumen desplazado necesario para
llevar el fluido desde el tanque N⁰1 hacia los tanques N⁰2 y N⁰3.
El bombeo consiste en llevar el fluido desde el tanque N⁰1, habilitando la válvula manual y
la de salida del tanque, se debe activar la válvula dependiendo del tanque seleccionado
(tanque # 2 o # 3) para el envío del fluido, se activa la bomba la cual aumenta el caudal y
presión con el fin de llevar el fluido hasta el punto final, para lograr que la bomba tuviera la
capacidad de bombeo necesaria se tuvo en cuenta:
Diámetro de la tubería
La altura del punto más alto en la tubería
Longitud total de la tubería
Elementos que intervienen tales como: codos, uniones, válvulas.
La bomba seleccionada posee las siguientes características:
Marca: LEO
Referencia: XKM60-1
Alimentación: 110VAC
Capacidad: 12lt/hr
Presión altura: 4 mt
Autoprotegida con relé térmico
3.2.5 Selección de Equipos de Control El PLC seleccionado es de la marca Unitronics de referencia M91-2-UA2, el cual posee el
número de entradas y salidas necesarias para realizar el control del sistema, además
tiene integrado un display para la visualización y manipulación de variables.
La ventaja reside en el bajo costo, software de programación libre, las altas prestaciones y
la facilidad en la programación para realización de las prácticas.
El microcontrolador utilizado es de la familia Microchip de referencia 16F87X el cual posee
las características necesarias para la comunicación con el sensor de nivel, en conjunto
con el sensor ultrasónico se convierten en una opción muy económica para realizar
medición de nivel puesto que los sensores de nivel continuo en el ámbito industrial son
costosos
3.2.6 Selección de Sensores y Elementos Finales de Control Los sensores y elementos finales de control fueron seleccionados de forma tal que
cumplieran con las características necesarias para una buena medición y rápida
respuesta en el control.
Los elementos que intervienen en el módulo son:
Sensor de Temperatura
Sensor de nivel
Celda de carga
Electroválvulas
El sensor de temperatura es un termopar tipo Ky se compone de un cabezote, un
termopozo de 10cm para la protección del sensor y roscado para ser introducido al tanque
con una capacidad hasta 300ºC
El sensor de nivel seleccionado es un sensor ultrasónico que cumple con el rango de
acción necesario para medir el nivel en todo punto del tanque N⁰3, con las siguientes
características
Rango: 10- 100cm
Alimentación: 5Vdc
Salida: 4-20 mA
El sensor de peso utilizado es una celda de carga tipos S capaz de soportar el peso del
tanque y dimensionado de tal forma que no esté en los límites del peso aunque el tanque
se llene completamente.
La celda de carga tiene una capacidad de 50Kgy el tanque lleno de líquido alcanza un
peso máximo de 35 Kg. La celda posee las siguientes características
Alimentación: 5-15 Vdc
Resolución: 2mV/Voltio
Capacidad: 50Kg
Marca: Lexus
Por último el modulo comprende un total de cinco electroválvulas para la apertura o
restricción del paso del fluido. Una de estas es exclusiva para alto switcheo debido a que
esta implementada para realizar dosificación. Todas las electroválvulas son normalmente
cerradas para impedir el paso del fluido mientras no se utilice. Las válvulas poseen las
siguientes características:
Alimentación: 110Vac
Presión diferencial: 0.2-16 Bar
Diámetro: ¼ pulgada
Temperatura ambiente: hasta 50ºC
Temperatura del medio: hasta 60ºC
3.2.7 Diagrama de Conexión Eléctrica En el Anexo I se presenta el diagrama de potencia y control con el objetivo de tener un
soporte en el momento de chequear conexiones ante un posible problema.
4 RECOMENDACIONES
Se debe tener en cuenta a la hora de manipular los equipos y de realizar las prácticas las
siguientes recomendaciones:
Si se abre cualquiera de los dos gabinetes (de control y/o potencia) tener cuidado
de tocar y/o manipular algún elemento debido a que esto puede causar: descargas
eléctricas y desconexión de elementos que impiden que se ejecuten tareas de
control
Precaución con los bornes externos de la resistencia que se encuentra incrustada
en el tanque N⁰1 mientras esta energizada debido a que puede haber peligro de
descarga eléctrica de 220 Vac.
Tener cuidado, no manipular indebidamente el switche flotador porque podría
implicar el paro del sistema debido a que el sistema está protegido por bajo nivel
de líquido en el tanque N⁰1.
Tener presente, la válvula manual que se encuentra en la tubería entre la bomba y
el tanque N⁰1 debe estar abierta al momento de utilizar la bomba con el fin de que
esta no trabaje en vacío porque se puede dañar.
Precaución, si al momento de realizar alguna practica donde interviene la bomba y
al iniciar el bombeo y el líquido no llega a su destino final se debe activar el paso
de emergencia y avisar al docente, el cual debe revisar: que la válvula manual
debe estar abierta y las electroválvulas activas, si el problema sigue, es posible
que las válvulas estén obstruidas por suciedad.
No se debe arrojar ningún tipo de residuo sólido a los tanques, esto puede causar
la obstrucción de las válvulas, lo que impide el paso del líquido.
Cuidado, no introducir ningún tipo de elemento y/o intentar frenar el eje del motor
del agitador debido a la posibilidad de quemarse por sobrecarga.
Precaución, durante la práctica de control de peso no apoyar nada en el tanque
pues ésta podría afectar la medición real de la celda de carga.
El sistema tiene incorporado en el programa distintos tipos de alarmas con el fin de
proteger los elementos finales y el propio sistema ante manipulaciones o
problemas en el módulo, las diferentes alarmas asignadas son:
Alarma de bajo nivel tanque N⁰1: Este alarma resetea el sistema completo con el
fin de evitar que la bomba trabaje en vacío y que la resistencia caliente sin líquido,
con esto se impide el daño de estos elementos.
Alarma de alta temperatura tanque N⁰1: internamente el programa del PLC tiene
un valor límite de temperatura que se definió en 55 °C, que al llegar a este valor
resetea el sistema con el fin los elementos como las válvulas, bombas y tuberías
puesto que estos equipos tienen un límite de temperatura de trabajo, los cuales se
van desgastando si se excede la temperatura.
Alarma alto nivel tanque N⁰2 y N⁰3: Esta alarma resetea el sistema con el fin de
no rebosar el tanque y no exceder la capacidad lo que implicaría que el líquido se
derrame y esto podría causar corto si cae directamente en los bornes de la
resistencia y daños en la estructura por sobrepeso.
Se recomienda cambiar y lavar dos veces a la semana el agua de los tanques con
el fin de que no arrastrar sedimentos propios del sistema debido a que factores
como el polvo se acumulan y quedan en el agua y en los tanques, ocasionando
deterioro y mal funcionamiento del modulo.
Tener cuidado, no mezclar el agua con sustancias químicas como: cloro, límpido,
etc., puede afectar los equipos que intervienen en el sistema.
5 RESULTADOS Y ANÁLISIS
5.1 Práctica de laboratorio “Medición y Control PID de Temperatura”
Al realizar un análisis del comportamiento de la temperatura utilizando como método de
control el PID se tuvieron como resultado:
Forma Automática La siguiente grafica muestra el comportamiento de la temperatura con un control PID
automático, un set point de 50 °C y un llenado del 60% de capacidad del tanque.
Figura 45: Grafica Comportamiento de la Temperatura (Control PID Automático)
En esta práctica se concluye:
Buena estabilidad de la temperatura alrededor del set point.
La temperatura no subió de manera ligera, esto fue debido a que la resistencia se
tuvo que disminuir en potencia para no afectar el suministro de energía de la
Universidad.
Al activar el agitador la distribución de la temperatura en el líquido del tanque se
hace más homogénea.
Forma Manual La siguientes graficas muestra el comportamiento de la temperatura con un control PID
manual y un set point de 45 °C
Kp=80, Ki=0 y Kd=0
Figura 46: Grafica Comportamiento de la Temperatura (Control P Manual)
Kp=0, Ki=80 y Kd=0
Figura 47: Grafica Comportamiento de la Temperatura (Control I Manual)
En esta práctica se concluye:
Al utilizar diferentes valores en las bandas del PID de forma manual la respuesta
de este se afecta tanto en tiempo como en estabilidad.
Al utilizar solo la banda proporcional se obtiene que el error aumenta y se hace
más lenta la estabilidad a través del tiempo.
Al utilizar solo la banda integral se obtiene un comportamiento de la temperatura
más inestable y sin lograr estabilizarse a través del tiempo.
La banda que mejor responde fue la proporcional, debido a que se logra mejor
estabilidad alrededor del set point a través del tiempo, sin embargo, lo
recomendable es utilizar conjuntamente las bandas para obtener un control más
óptimo.
5.2 Práctica de laboratorio “Medición y Control ON/OFF con Histéresis de Temperatura”
La siguiente grafica muestra el comportamiento de la temperatura con un control ON-OFF
con histéresis igual a 3 °C y un set point de 45 °C.
Figura 48: Grafica Comportamiento de la Temperatura (Control ON-OFF con histéresis)
En esta práctica se concluye:
El sistema no es muy estable debido a que solo se apaga la resistencia en el
momento del set point más la histéresis el cual permite exceder el valor del set
point y a la inercia de la temperatura, esta sigue aumentando aun con la
resistencia apagada.
El tiempo de estabilización es lento.
Este método de control no es óptimo si se requiere tener un margen de error
pequeño alrededor del set point o estabilidad en el sistema.
5.3 Practica de laboratorio “Control de peso y dosificación” En esta práctica se concluye:
Inicialmente se tuvo inconvenientes con el bombeo debido a que la bomba tenía
aire, por lo cual fue necesario sacar el aire.
La velocidad de llenado es el más adecuado para observar el comportamiento de
la celda ya que el caudal está en un nivel intermedio.
La bomba respondió de acuerdo a lo esperado puesto que se eligió para superar la
presión de la altura y debido a la longitud de la temperatura.
La respuesta de la celda de carga es rápida y estable, lo cual facilita realizar el
control de nivel por peso.
El control de la dosificación fue realizado a través de un PID, el cual al bajar el
nivel y acercarse al set point establecido, la válvula de dosificación de alto
switcheo comienza a abrir y a cerrar llegando al set point de manera gradual. La
mejor opción para dosificación es utilizar una válvula proporcional pero debido al
costo se optó por la válvula de switcheo controlado por PID teniendo como
resultado una buena dosificación.
5.4 Práctica de laboratorio “Medición y Control de Nivel por medio de sensor ultrasónico”
En esta práctica se concluye
Inicialmente se presentó inconvenientes en la ubicación del sensor ultrasónico
debido a que posee una zona muerta de medición y un ángulo de cobertura el cual
se afectaba con las paredes del tanque, por lo tanto se definió colocar el sensor en
el centro con un poco de elevación para lograr leer todo el nivel.
El sensor se comunica exitosamente con el SCADA (LabView), el cual a su vez
envía los datos al PLC por medio de comunicación cliente-servidor.
El control de nivel respondió a lo esperado. Cuando el nivel alcanza el set point
asignado inmediatamente el sistema responde, apagando las válvulas
correspondientes.
El caudal es un poco menor al que llega al tanque N⁰1 en comparación al caudal
que llega al tanque N⁰2, debido a la mayor distancia de recorrido.
5.5 Práctica de laboratorio “Sistema de Bombeo”
En esta práctica se concluye:
Dependiendo del tanque que seleccione para bombear el líquido desde el tanque
N⁰1, la velocidad de llenado es ligeramente más rápida seleccionado el tanque
N⁰1 que el tanque N⁰2.
Al enviar el líquido a los tanques simultáneamente el sistema pierde caudal debido
a que la presión de la bomba se reparte y no está diseñada para una alta presión.
Si el nivel del tanque N⁰1 está por debajo del switche flotador, todo el sistema se
para como protección de la bomba y la resistencia debido a que si la bomba se
queda sin líquido, esta puede dañarse y si la resistencia, la cual es de inmersión
queda sin líquido puede quemarse.
Se implementó el sistema de supervisión de LabView, para la activación de todos
los elementos que intervienen en el módulo, como lo son: válvulas, motores,
resistencia, etc. y además de visualizar la temperatura, nivel, peso con el propósito
de que el estudiante se familiarice con el sistema real que normalmente se
encuentra en la industria.
6 ESTADO DEL ARTE
Los sistemas de control son fundamentales para el manejo de los procesos de producción
de las plantas industriales, entonces se hace importante mencionar trabajos similares al
proyecto de diseño e implementación de un módulo para la medición, control y
visualización de las variables temperatura, nivel y peso con interfaz de comunicación en
LABview, al cual hace referencia el presente trabajo y en donde se puede identificar
ventajas y desventajas con respecto al elaborado.
Clean in place o CIP es un proyecto aplicado hoy en la Cooperativa Colanta para el
lavado de los tanques y silos de almacenamiento de leche cruda, este proyecto fue
diseñado e implementado por un estudiante de la universidad Nacional de Colombia,
Sede Medellín, de Ingeniería de Control. El proyecto consistió en reemplazar las
operaciones manuales y controlarlas variables de temperatura, nivel y presión por medio
de un PLC, modular con flexibilidad en las Entradas/Salidas digitales para diferentes
configuraciones que soportan entradas de 24 V DC ó 120/240 V AC, con salidas tipo relé
o transistores, empleando el software de programación RSLogix 500, lenguaje ladder ó
lenguaje de escalera, con un sistema SCADA obteniendo indicadores de gestión para el
control desde un PC. Este proceso involucró elementos como bombas, tanques,
intercambiadores de calor, mangueras flexibles, válvulas de presión, garantizando una
limpieza controlada.
El módulo de Operación y Simulación de Procesos Industriales (MOSPI), fue diseñado
con el propósito de solucionar problemas educativos relacionados con la puesta en
práctica de los conocimientos adquiridos en cursos de Control y Automatización; MOSPI
fue un proyecto desarrollado por estudiantes de la universidad San Martin de Porres
(USMP), facultad de ingeniería y arquitectura (FIA) escuela profesional de Ingeniería
electrónica, Lima Perú. El diseño de la unidad de control del MOSPI se basó en el uso de
microcontroladores que junto con las técnicas básicas de los sistemas de control,
permiten obtener un módulo que ofrece una serie de posibilidades a los estudiantes,
adicional a esto, se desarrolló una interfaz gráfica de control, empleando Visual Basic, con
esto garantizaron la supervisión del proceso, como si se tratara de un sistema tipo
SCADA. El sistema propuesto contenía microcontroladores, tanques reservorios, válvulas
manuales de drenaje, válvula solenoide, bombas de agua, interruptores de nivel de doble
contacto, sensor de temperatura, transmisores de presión y motor de mezclado, con los
cuales lograron una implementación muy robusta, que ha permitido la aplicación de
nuevas técnicas de control.
El módulo didáctico para controlar procesos discontinuos de mezclado con PLC, modelo
RT 800 presentado por la compañía Gunt Hamburg está compuesto por un bastidor base
con reservorio, una bomba centrífuga, un panel de demostraciones, válvulas
electromagnéticas, sensores de proximidad capacitivos, un agitador, fuente de
alimentación y 4 tanques. En este banco pueden realizarse funciones de control
complejas en especial, operaciones de dosificación y mezclado. Una particularidad del
banco es que se pueden realizar pruebas de funcionamiento del sistema, sin PLC y
admite PLCs de diferentes fabricantes.
7 TRABAJO FUTURO
Teniendo en cuenta que el módulo diseñado e implementado puede ser escalable, se
propone la ampliación de los módulos de entradas y salidas del PLC permitiendo la
conexión de nuevos dispositivos.
Se puede implementar switches de nivel para el sistema de control o para el uso de otros
sistemas de seguridad. También se propone implementar sensores para medir el flujo en
determinadas partes del proceso y evitar que la electrobomba trabaje en vacío.
Se puede implementar válvulas PWM para diseñar controles PID en la dosificación en
forma más precisa. Se propone monitorear el control de todas las variables a través del
software LabView, de esta forma permitir visualizar el proceso en todo momento, en
tiempo real e incluso de forma remota. Es posible también desarrollar e implementar el
sistema de monitoreo y control del sensor ultrasónico a través del PLC adicionándole un
módulo, el sistema también permite implementar la visualización de los datos arrojados
por el sensor ultrasónico de forma inalámbrica por medio de bluetooth.
8 CONCLUSIONES
Con el desarrollo de las prácticas se puede evidenciar la similitud con respecto a
muchos de los procesos a nivel industrial donde interviene las variables más utilizadas
como lo son temperatura, nivel, peso, dosificación y sistema de bombeo.
Es posible medir variables indirectamente a través de un sensor o equipo de medición
diferente al que normalmente se utilizaría, por ejemplo por medio de una celda de
carga que mide el peso es posible medir el nivel de forma indirecta.
El desarrollo realizado en el sistema de supervisión LabView, para la visualización y
control de las practicas, es la representación de lo que las industrias se han estado
enfocando, no solo el PLC sirve para controlar sino además se hace necesario
recopilar información y llevar todos los procesos a una estación de monitoreo y
control.
Al desarrollar los dos tipos de control de temperatura tanto PID como control ON-OFF
se observó las diferencias que existen entre estos, siendo el control PID el más apto
para sostenimiento de la temperatura al valor deseado.
La selección del PLC se hizo de acuerdo al cumplimiento con el número de entradas y
salidas requerida en la practicas, se tuvo en cuenta los costos y la posibilidad de
crecimiento en un futuro cercano por medio de módulos, además, de poder
comunicarse con un sistema SCADA para el monitoreo y control.
Los equipos de control, potencia, sensores y elementos finales de control fueron
debidamente seleccionados de acuerdo a investigaciones realizadas sobre el
funcionamiento de cada uno de los procesos implementados en las prácticas.
El PLC como sistema de control es muy óptimo debido a que consolida en un solo
sistema, múltiples subsistemas independientes como lo son: control de temperatura,
control de nivel, dosificación, control de peso que podían funcionar con lógica
cableada en sistemas independientes pero sin la posibilidad de llevar a un SCADA, o
de poderse sería más costoso.
La evaluación del PID de temperatura en modo automático se realizó por medio del
PLC el cual es capaz de seleccionar los parámetros que se ajustan al sistema que se
va controlar. La forma de realizar el PID se hace mediante un lazo cerrado donde
evalúa el comportamiento del sistema y asigna los parámetros PID adecuados para un
óptimo control.
Por medio del sistema de bombeo se pudo evaluar comportamiento del flujo del agua,
evidenciado la decadencia de caudal al trabajar con los dos tanques simultáneamente.
Estos datos sirven como referencia para evaluar una velocidad de llenado de un
tanque en un sistema industrial donde la pérdida de tiempo puede implicar una
pérdida en tiempo de producción.
El método de control ON-OFF no es estable a corto tiempo y debido a la inercia de la
temperatura se genera un error mayor en comparación al utilizar un control PID, el
cual ajusta anticipadamente para que esta inercial no sea representativa y no
sobrepase por un amplio margen el set point establecido.
En la práctica de dosificación la respuesta del sistema fue buena y acorde a lo
esperado. En general en los procesos industriales, la dosificación se maneja con
válvulas proporcionales, las cuales regulan el peso del fluido, pero en la práctica se
utilizó un control PID para acercarse lo mayor posible al set point establecido.
Normalmente los sensores ultrasónicos industriales son de alto costo, lo que hizo
pensar tener una alternativa a bajo costo y así se seleccionó un equipo que permitiera
sensar el nivel ajustado a las condiciones de la práctica.
El PLC utilizado en el desarrollo del módulo aparte de realizar el control ofrece la
posibilidad de la incorporación de los elementos y variables que intervienen en el
módulo con el sistema de supervisión LabView.
BIBLIOGRAFIA
OGATA, Katsuhiko. Ingeniería de control moderna. 3 ed. México: Prentice-Hall Hispanoamericana 1998. CREUS SOLE, Antonio. Instrumentación industrial. 7 ed. Marcombo 2005. Fundamentos de control automático industrial [online]. Disponible desde internet: <http://www.sapiensman.com/control_automatico/index.htm> Procesos industriales [Online]. Disponible desde internet: <http://html.rincondelvago.com/procesos-industriales.html> Unitronics [online]. Disponible desde internet: <http://www.unitronics.com> Kepware Tecnologies [online]. Disponible desde internet: <http://www.kepware.com/> MAZZONE, Virginia. Controladores PID
ANEXOS
ANEXO I: Diagrama de Conexión Eléctrica
