DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA...

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA EL

CONTROL DE ENFRIAMIENTO DEL TANQUE DE AGUA FRÍA DE LA

PLANTA DE PROCESOS ANÁLOGOS (PPA)

VEGA CORREA JOSE LEONARDO

MEZA AGUILAR FABIAN ANTONIO

Tesis de Ingeniería en Control

Director:

Ing. Jorge Eduardo Porras Bohada

Co-Director:

Ing. M.Sc. Andrés Escobar Díaz

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad Tecnológica

Programa de Ingeniería en Control

Bogotá D.C., Colombia

2016

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VEGA CORREA JOSE LEONARDO

MEZA AGUILAR FABIAN ANTONIO

Tesis presentada al Programa de Ingeniería en Control de la Universidad Distrital

“Francisco José de Caldas” Facultad Tecnológica, para obtener el título de

Ingeniero en Control

Programa:

Ingeniería en Control

Director:


Co-Director:


Bogotá D.C., Colombia

2016

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HOJA DE ACEPTACIÓN




Observaciones:

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Director del Proyecto


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Co-Director del Proyecto


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Jurado

Ing. M.Sc. Alberto Delgadillo Gómez

Fecha de presentación: Mayo de 2016

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Resumen

En el laboratorio de industrial de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad Tecnológica, se tienen equipos propios de automatización que no estaban

siendo utilizados por los estudiantes del proyecto curricular de tecnología en industrial e

ingeniería en producción.

Durante el desarrollo de la asignatura “Instrumentación de Procesos II” los estudiantes

de Ingeniería en Control deciden realizar el prototipo de una planta didáctica que recibe

el nombre de Planta de Procesos Análogos (PPA) con los equipos que dispone el

laboratorio para usarla como una herramienta teórico-práctica para simular procesos

industriales de automatización y control de variables físicas como (Nivel, Temperatura,

Flujo).

La planta cuenta con un panel de control, actuadores, tanques y conexiones hidráulicas

dentro de una estructura metálica. La planta no posee elementos para la medición de

temperatura y nivel, tampoco cuenta con sistemas de control para estas variables.

En este proyecto se seleccionaron e instalaron sensores de tipo industrial que

permitieron realizar un proceso de identificación experimental mediante el software

MATLAB® se obtuvo un modelo aproximado que caracteriza el comportamiento del

sistema térmico en el tanque de agua fría de la planta, se diseña un controlador PID por

el método del lugar de las raíces que es implementado en el controlador Lógico

Programable (PLC) marca Allen Bradley desde el software RSLogix5000, y con una

interfaz gráfica desarrollada en FactoryTalk View para la pantalla HMI se implementa un

sistema de supervisión y control y adquisición de datos (SCADA).

Palabras clave: Control Digital, Control de Temperatura, Sistema SCADA,

Intercambiador de Calor, Red Ethernet.

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Abstract

In the laboratory of industrial of the University Francisco José de Caldas Faculty

Technological, have own equipment automation that were not being used by students of

the curricular project of technology in industrial and engineering in production.

During the development of the subject "Process Instrumentation II" Engineering Control

students decide to make the prototype of a didactic plant that receives the name of

Process Analogues Plant (PPA) with the equipment available in the laboratory for use as

a theoretical-practical tool to simulate industrial processes of automation and control of

physical variables as (level, temperature, flow).

The plant has a control panel, actuators, tanks, and hydraulic connections within a

metallic structure. The plant does not have elements for measurement of temperature

and level, nor account with control systems for these variables.

In this project were selected and installed sensors of industrial type that allowed to realize

a process of experimental identification by means of the software MATLAB ® there was

obtained an approximate model that characterizes the behavior of the thermal system in

the cold water tank of the plant, a controller PID is designed by the method of the place

of the roots that is implemented in the Programmable Logical controller (PLC) Allen

Bradley mark from the software RSLogix5000, and with a graphical interface developed

in FactoryTalk View for screen HMI is implemented a system of supervision and control

and data acquisition (SCADA).

Keywords: Digital Control, Temperature Control, SCADA Systems, Heat

Exchanger, Ethernet Network.

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Tabla de contenido

Resumen ......................................................................................................................................... 4

Abstract ........................................................................................................................................... 5

Lista de Figuras .............................................................................................................................. 9

Lista de Tablas .............................................................................................................................. 13

1. Introducción .............................................................................................................................. 14

1.1 Planteamiento del Problema ............................................................................................... 15

1.2 Objetivos ............................................................................................................................. 16

1.2.1 Objetivo General........................................................................................................... 16

1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................................... 16

2. Marco de Referencia ................................................................................................................ 17

2.1 Antecedentes ...................................................................................................................... 17

2.1.1 Prototipo para control automático de nivel y caudal de líquidos ................................. 17

2.1.2 Diseño, implementación y validación de un controlador PID autosintonizado ........... 18

2.1.3 Desarrollo del sistema de control de nivel para un tanque surtidor de agua y

almacenador de energía térmica en procesos de lavado y tintorería .................................. 18

2.2 Marco Teórico ..................................................................................................................... 19

2.2.1 Sensor de temperatura RTD ........................................................................................ 19

2.2.2 Sensor de temperatura termistor ................................................................................. 21

2.2.3 Modelo de sistemas ..................................................................................................... 22

2.2.3.1 Tipos de modelos ...................................................................................................... 22

2.2.3.2 Identificación de sistemas ......................................................................................... 23

2.2.3.3 Modelos paramétricos ............................................................................................... 24

2.2.3.4 Tipos de modelos paramétricos ................................................................................ 25

2.2.4 Intercambiador de calor................................................................................................ 27

2.2.4.1 Análisis del intercambiador de calor ......................................................................... 28

2.2.4.2 Método de la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD) ........................ 30

2.2.5 Norma ISA 88 en procesos de producción .................................................................. 31

2.2.5.1 Procedimiento del modelo ISA 88............................................................................. 32

3. Metodología .............................................................................................................................. 34

4. Ingeniería Conceptual ............................................................................................................... 34

4.1 Requerimientos ................................................................................................................... 34

4.2 Alcance ................................................................................................................................ 35

7

4.3 Descripción preliminar del proceso..................................................................................... 35

4.4 Normatividad ....................................................................................................................... 36

4.5 Diagrama de flujo de proceso (PFD) .................................................................................. 36

5. Ingeniería Básica ...................................................................................................................... 37

5.1 Descripción general de la planta ........................................................................................ 37

5.2 Descripción del proceso ...................................................................................................... 39

5.3 Descripción de instrumentación y equipos ......................................................................... 41

5.4 Descripción del sistema de control ..................................................................................... 44

6. Ingeniería en Detalle ................................................................................................................. 46

6.1 Selección sensores de temperatura ................................................................................... 46

6.1.1 Sensor RTD .................................................................................................................. 46

6.1.2 Linealización sensor RTD PT100 4-20 mA.................................................................. 49

6.1.3 Características estáticas sensor PT100 ...................................................................... 50

6.1.4 Sensor termistor ........................................................................................................... 53

6.1.5 Diseño del transmisor de temperatura 0-10 VDC........................................................ 54

6.1.6 Características estáticas sensor termistor ................................................................... 57

6.2 Instalación sensores ........................................................................................................... 58

6.2.1 Sensor PT100 y sensores de nivel .............................................................................. 58

6.2.2 Sensores de temperatura termistor ............................................................................. 59

6.3 Modelo ................................................................................................................................. 60

6.3.1 Modelo sensor RTD ..................................................................................................... 60

6.3.2 Modelo sensor termistor ............................................................................................... 61

6.3.3 Modelo bomba .............................................................................................................. 62

6.3.4 Modelo intercambiador de calor ................................................................................... 67

6.3.4.1 Cálculo de la eficiencia del intercambiador - Método NTU ...................................... 73

6.4 Experimento de identificación ............................................................................................. 75

6.4.1 Diseño del controlador PID por el lugar geométrico de las raíces .............................. 78

6.4.2 Implementación del controlador en el PLC .................................................................. 80

6.4.3 Resultados controlador PID ......................................................................................... 81

6.5 Arquitectura del sistema SCADA ........................................................................................ 83

6.5.1 Creación de la red Ethernet ......................................................................................... 84

6.5.1.1 Configuración del computador .................................................................................. 84

6.5.1.2 Configuración de RSLinx Classic .............................................................................. 88

6.5.1.3 Configuración IP del computador .............................................................................. 89

6.5.1.4 Configuración IP de la HMI ....................................................................................... 89

8

6.5.1.5 Configuración IP del PLC .......................................................................................... 90

6.5.1.6 Configuración IP del variador .................................................................................... 90

6.5.1.7. Configuración del variador en RSLogix5000 ........................................................... 91

6.5.1.8 Configuración del módulo análogo en RSLogix5000 ............................................... 94

6.6 Códigos realizados en RSLogix5000 ................................................................................. 96

6.6.1 Lectura de los datos de los sensores .......................................................................... 96

6.6.2 Subrutinas .................................................................................................................... 99

6.6.2.1 Inicializar Variables ................................................................................................... 99

6.6.2.2 Select ....................................................................................................................... 100

6.6.2.3 Modo Manual ........................................................................................................... 101

6.6.2.4 Alarmas.................................................................................................................... 101

6.6.2.5 Control On-Off ......................................................................................................... 102

6.6.2.6 Resultado Control On-Off ........................................................................................ 103

6.7 Diseño de interfaz gráfica de usuario ............................................................................... 103

6.8 FactoryTalk View ............................................................................................................... 105

6.8.1 Alarmas en FactoryTalk View .................................................................................... 105

6.8.2 Pantallas en FactoryTalk View ................................................................................... 108

6.8.3 Descripción de las ventanas ...................................................................................... 109

6.8.3.1 Ventana Principal .................................................................................................... 109

6.8.3.2 Ventana Tanque de Suministro .............................................................................. 110

6.8.3.3 Ventana Gráfica RTD .............................................................................................. 111

6.8.3.4 Ventana PID ............................................................................................................ 111

6.8.3.5 Ventana PPA MANUAL ........................................................................................... 112

6.8.3.6 Ventana Variador .................................................................................................... 112

7. Conclusiones .......................................................................................................................... 114

8. Recomendaciones .................................................................................................................. 115

9. Bibliografía .............................................................................................................................. 116

10. Anexos .................................................................................................................................. 120

10.1 Manual de Prácticas de Laboratorio ............................................................................... 120

10.2 Cámara Termográfica FLIR i7 ........................................................................................ 133

9

Lista de Figuras

Fig. 1 Arquitectura del sistema ..................................................................................................... 19

Fig. 2 Curvas de resistencia relativa de varios metales vs temperatura ..................................... 20

Fig. 3 Curva resistencia vs temperatura termistor NTC y PTC.................................................... 21

Fig. 4 Proceso de identificación .................................................................................................... 24

Fig. 5 Diagrama de bloques de las estructuras de la tabla 1....................................................... 27

Fig. 6 Radiador típico de un automóvil ......................................................................................... 28

Fig. 7 Intercambiador de calor (radiador) de flujo cruzado no mezclado .................................... 28

Fig. 8 Flujo cruzado de un solo paso con los dos fluidos de flujo no mezclado .......................... 31

Fig. 9 Estructura básica de la norma ISA 88 ................................................................................ 32

Fig. 10 Estructura fundamental en proyectos de ingeniería ........................................................ 34

Fig. 11 Diagrama de flujo de proceso de la planta ...................................................................... 37

Fig. 12 Planta de procesos análogos ........................................................................................... 38

Fig. 13 Diagrama PI&D de la planta ............................................................................................. 39

Fig. 14 Modelo físico de la planta de acuerdo a la norma ISA88 ................................................ 40

Fig. 15 Diagrama de bloques de sistema de control PID ............................................................ 45

Fig. 16 Diagrama de bloques de sistema de control On-Off........................................................ 45

Fig. 17 RTD PT100 ....................................................................................................................... 46

Fig. 18 Transmisor de temperatura para la RTD PT100 ............................................................. 48

Fig. 19 Gráfica corriente vs temperatura RTD ............................................................................. 50

Fig. 20 Valor crítico de t para los grados de libertad y área en una cola .................................... 52

Fig. 21 Termistor NTC de 50 KΩ .................................................................................................. 53

Fig. 22 Gráfica resistencia vs temperatura del termistor ............................................................. 54

Fig. 23 Gráfica resistencia vs temperatura termistor linealizado ................................................. 55

Fig. 24 Circuito de medición termistor .......................................................................................... 56

Fig. 25 Gráfica temperatura vs voltaje del termistor NTC ............................................................ 57

Fig. 26 Esquemático transmisor de temperatura termistor NTC ................................................. 57

Fig. 27 Circuito impreso transmisor de temperatura termistor NTC ............................................ 57

Fig. 28 Instalación sensor RTD PT100 y sensores de nivel ........................................................ 59

Fig. 29 Instalación termistor a la entrada del intercambiador de calor ........................................ 59

Fig. 30 Instalación termistor a la salida del intercambiador de calor ........................................... 60

Fig. 31 Diagrama de bloques sensor RTD ................................................................................... 60

Fig. 32 Diagrama de bloques en simulink sensor RTD................................................................ 61

10

Fig. 33 Diagrama de bloques sensor Termistor ........................................................................... 61

Fig. 34 Diagrama de bloques en simulink sensor termistor ......................................................... 62

Fig. 35 Diagrama de bloques bomba ........................................................................................... 62

Fig. 36 Modelo dinámico simple para una bomba ....................................................................... 63

Fig. 37 Probeta capacidad 1000ml ............................................................................................... 63

Fig. 38 Bloque en simulink para el modelo bomba ...................................................................... 64

Fig. 39 Rampa aceleración desaceleración generado por el variador de velocidad .................. 65

Fig. 40 Datos de tiempo rampa aceleración y desaceleración programada en RSLogix5000 ... 65

Fig. 41 Gráfica respuesta de un sistema de primer orden ........................................................... 66

Fig. 42 Diagrama de bloques en simulink modelo bomba con retardo ....................................... 67

Fig. 43 Intercambiador de Calor (Radiador) ................................................................................. 67

Fig. 44 TH-1 Relative Humidity / Temperature Probe Style Meter .............................................. 68

Fig. 45 Instrumento para medir velocidad del viento ................................................................... 68

Fig. 46 Registro de temperatura del aire a la entrada del radiador ............................................. 69

Fig. 47 Registro de temperatura del aire a la salida del radiador ................................................ 69

Fig. 48 Registro de velocidad del aire a la entrada del radiador ................................................. 70

Fig. 49 Registro de velocidad del aire a la salida del radiador .................................................... 70

Fig. 50 Factor de corrección para el radiador .............................................................................. 72

Fig. 51 Eficiencia del radiador de automóvil ................................................................................ 75

Fig. 52 Metodología de experimento de identificación................................................................. 76

Fig. 53 Curva de reacción de proceso planta en lazo abierto ..................................................... 77

Fig. 54 Identificación por System Identification Tool de MATLAB® ............................................ 77

Fig. 55 Porcentaje de aproximación modelos .............................................................................. 78

Fig. 56 Configuración de controladores en Sisotool de MATLAB® ............................................. 79

Fig. 57 Lugar de las raíces de la planta en lazo cerrado ............................................................. 79

Fig. 58 Controlador PID implementado en ecuación en diferencias ........................................... 81

Fig. 59 Variable de proceso inicial (40 ºC) vs Set Point (33 ºC) .................................................. 82

Fig. 60 Variable de proceso inicial (45 ºC) vs Set Point (38 ºC) .................................................. 82

Fig. 61 Diagrama de bloques general de un sistema SCADA ..................................................... 83

Fig. 62 Arquitectura sistema SCADA tanque agua fría de la PPA .............................................. 84

Fig. 63 Red de comunicación Ethernet de la planta .................................................................... 85

Fig. 64 Paso 1. Abrir el panel de control ...................................................................................... 86

Fig. 65 Paso 2. Seleccionar redes e internet ............................................................................... 86

Fig. 66 Paso 3. Abrir el centro de redes y recursos compartidos ................................................ 86

11

Fig. 67 Paso 4. Cambiar la configuración del adaptador de red ................................................. 87

Fig. 68 Paso 5. Configuración de red de área local ..................................................................... 87

Fig. 69 Paso 6. Selección Protocolo de Internet TCP/IP ............................................................. 87

Fig. 70 Paso 7. Asignación de dirección IP del computador ....................................................... 88

Fig. 71 Pantalla inicial de RSLinx para configurar las IP’s de la red ........................................... 88

Fig. 72 Red Ethernet creada en RSLinx....................................................................................... 89

Fig. 73 Asignación de dirección IP para el computador en RSLinx............................................. 89

Fig. 74 Asignación de dirección IP para la HMI ........................................................................... 89

Fig. 75 Asignación de dirección IP para el PLC ........................................................................... 90

Fig. 76 Asignación de dirección IP para el variador de velocidad ............................................... 90

Fig. 77 Red de comunicación ethernet en RSLinx de la planta ................................................... 90

Fig. 78 Selección de la MAC del módulo de comunicación del variador de velocidad ............... 91

Fig. 79 Configuración IP variador PowerFlex40 en el programa “BOOTP/DHCP” ..................... 91

Fig. 80 Selección variador PowerFlex40 en RSLogix5000 .......................................................... 92

Fig. 81 Configuración dirección IP del variador en RSLogix5000 ............................................... 92

Fig. 82 Desactivar “Unicast Connection Over EtherNet/IP” ......................................................... 93

Fig. 83 Conectar el variador por medio del software RSLogix5000 ............................................ 93

Fig. 84 Configuración final del variador de velocidad .................................................................. 94

Fig. 85 Agregar modulo análogo al proyecto en RSLogix5000 ................................................... 94

Fig. 86 Selección del módulo análogo 1769-IF4 .......................................................................... 95

Fig. 87 Configuración módulo análogo ......................................................................................... 95

Fig. 88 Tareas periódicas para la lectura de los sensores de temperatura ................................ 97

Fig. 89 Programación en Ladder de lectura del módulo análogo RTD ....................................... 97

Fig. 90 Programación en texto estructurado para linealización sensor PT100 ........................... 97

Fig. 91 Programación en Ladder de lectura de módulo análogo para los termistores ............... 98

Fig. 92 Programación en texto estructurado para la linealización de los termistores ................. 98

Fig. 93 Rutinas creadas en el programa principal ....................................................................... 99

Fig. 94 Llamado subrutinas en Ladder del “Main Routine” .......................................................... 99

Fig. 95 Subrutina inicializar variables en texto estructurado ..................................................... 100

Fig. 96 Subrutina de acceso a rutina manual o rutina PID en grafcet ....................................... 100

Fig. 97 Subrutina Modo Manual en Ladder ................................................................................ 101

Fig. 98 Subrutina de alamas en texto estructurado para el tanque de suministro .................... 102

Fig. 99 Subrutina Control On-Off ................................................................................................ 102

Fig. 100 Implementación Controlador On-Off ............................................................................ 103

12

Fig. 101 Ejemplo del enlace de variables del PLC y objetos de la pantalla HMI ...................... 105

Fig. 102 Configuración de alarmas ............................................................................................ 106

Fig. 103 Selección de variables de activación de alarmas desde el PLC ................................. 106

Fig. 104 Mensaje alarma de nivel bajo ....................................................................................... 107

Fig. 105 Mensaje alarma de nivel alto ........................................................................................ 107

Fig. 106 Configuración valor del Trigger para las alarmas ........................................................ 108

Fig. 107 Alarma de nivel alto tanque de suministro ................................................................... 108

Fig. 108 Alarma de nivel bajo tanque de suministro .................................................................. 108

Fig. 109 Pantallas creadas en la HMI ........................................................................................ 109

Fig. 110 Pantalla principal interfaz HMI...................................................................................... 110

Fig. 111 Tanque de suministro de la planta ............................................................................... 111

Fig. 112 Pantalla de tendencia del sensor RTD......................................................................... 111

Fig. 113 Pantalla de respuesta del controlador PID .................................................................. 112

Fig. 114 Pantalla de manipulación manual de componentes de la PPA ................................... 112

Fig. 115 Pantalla para cambiar parámetros del variador de velocidad ..................................... 113

Fig. 116 Cámara termográfica FLIR i7 ....................................................................................... 133

Fig. 117 Certificado de calibración cámara termográfica FLIR i7 .............................................. 133

13

Lista de Tablas

Tabla 1 Diferentes estructuras de modelos paramétricos ........................................................... 26

Tabla 2 Equipos iniciales del proyecto ......................................................................................... 34

Tabla 3 Instrumentación y equipos de la PPA ............................................................................. 41

Tabla 4 Clasificación y tolerancias de las sondas de resistencia IEC 60751 ............................. 47

Tabla 5 Especificaciones sensor PT100 ...................................................................................... 47

Tabla 6 Especificaciones transmisor de temperatura .................................................................. 48

Tabla 7 Datos corriente vs temperatura RTD .............................................................................. 49

Tabla 8 Datos tomados para la caracterización del sensor RTD ................................................ 50

Tabla 9 Resultado de características estáticas del sensor PT100 .............................................. 52

Tabla 10 Comportamiento característico termistor NTC ............................................................. 53

Tabla 11 Sensor linealizado ......................................................................................................... 55

Tabla 12 Temperatura vs Voltaje ................................................................................................. 56

Tabla 13 Datos tomados para la caracterización del sensor termistor ....................................... 58

Tabla 14 Resultado de características estáticas del sensor Termistor NTC .............................. 58

Tabla 15 Datos Frecuencia vs Caudal de la bomba .................................................................... 64

Tabla 16 Especificaciones Instrumento AMPROBE TH-1 ........................................................... 68

Tabla 17 Especificaciones anemómetro ...................................................................................... 69

Tabla 18 Resultados de caracterización del intercambiador de calor ......................................... 70

Tabla 19 Orden de las IPs en la red Ethernet .............................................................................. 85

Tabla 20 Lógica de estados de alarma para el tanque de suministro ....................................... 101

Tabla 21 Colores de estado utilizados para la programación HMI ............................................ 104

Tabla 22 Especificaciones cámara termográfica FLIR i7 .......................................................... 134

14

1. Introducción

La automatización desempeña un papel fundamental en la industria para mejorar la

competitiva por medio de elementos y dispositivos tecnológicos que aseguren un control

y desempeño óptimo para aumentar la productividad, reducir costos y tiempos de

producción y genere seguridad en la realización de procesos industriales para los

trabajadores y consumidores.

Es por esto que el Ingeniero en Control está en la capacidad de analizar, reconocer,

modificar, diseñar sistemas aplicando conceptos de instrumentación, control y

automatización en entornos industriales.

Este proyecto se desarrolló para permitir a los estudiantes del proyecto curricular de

Ingeniería en Control y carreras afines tener un prototipo a pequeña escala de un proceso

industrial con la intención de manipular variables físicas y/o químicas.

Para tal fin se implementó un sistema de control PID en el PLC CompactLogix L23E-

QB1B y con una interfaz gráfica en la pantalla HMI, la cual permite supervisar la variable

de proceso temperatura en el tanque de agua fría de la planta.

Para el uso de correcto de la planta junto con el sistema de control de temperatura, se

encuentra el manual de prácticas (Ver Anexo 10.1) propuesto como guía para el

desarrollo de prácticas de laboratorio por parte del personal del laboratorio, estudiantes

y docentes de la facultad tecnológica y en las diferentes asignaturas de los diferentes

proyectos curriculares que intervengan con la automatización y control de procesos

industriales.

15

1.1 Planteamiento del Problema

La planta de procesos análogos (PPA) ubicada en el laboratorio de industrial de la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, no cuenta con

ningún tipo de sensor o de un algoritmo de control o de interfaz gráfica que permita

desarrollar prácticas de laboratorio en las asignaturas de instrumentación, control y

automatización.

Con el desarrollo de esta investigación se realizó la adquisición e instalación de sensores

de temperatura para el tanque de agua fría de la planta, para luego obtener un modelo

dinámico aproximado del sistema térmico a partir de un experimento de identificación

con señal paso y el diseño de algoritmos de control PID y On-Off en el PLC para la

supervisión y control en la pantalla HMI del proceso térmico.

Existen limitantes en el proyecto debido a la falta de diferentes sensores de flujo y de

presión en la planta para así facilitar la obtención de más datos que sean de ayuda para

obtener un modelo matemático más exacto del sistema.

16

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General

Diseñar e implementar un sistema SCADA con controlador PID en el PLC Allen

Bradley para el enfriamiento del tanque de agua fría de la PPA.

1.2.2 Objetivos Específicos

Diseñar un experimento de identificación de las características y comportamiento

del sistema para establecer el modelo dinámico aproximado del tanque de agua

fría de la PPA.

Seleccionar e implementar sensores para la medición de temperatura y de nivel.

Diseñar e instalar los sistemas de acondicionamiento para los sensores.

Implementar un controlador PID de temperatura para el tanque de agua fría en el

PLC.

Implementar un controlador On-Off de nivel máximo del tanque de agua fría en el

PLC.

Diseñar e implementar un sistema SCADA a través de la interfaz HMI Allen

Bradley.

Elaborar una práctica de laboratorio para comprobar el funcionamiento de la planta.

17

2. Marco de Referencia

2.1 Antecedentes

La planta ha sido desarrollada por estudiantes de Ingeniería en Control con fines

pedagógicos en la enseñanza de acciones de control, instrumentación, redes industriales

con el fin de ayudar a mejorar los equipos de laboratorio existentes en los distintos

proyectos curriculares de la facultad tecnológica.

Es una planta que necesita mejoramiento continuo en adquisición de instrumentación

(sensores y actuadores) para que la planta sea más robusta y puede aprovecharse todo

su potencial.

A continuación se presentan algunos antecedentes relacionados con el proyecto:

2.1.1 Prototipo para control automático de nivel y caudal de líquidos

Los estudiantes de Ingeniería mecánica de la UPS (Universidad Politécnica Salesiana,

Ecuador), Robinson Molina, Cesar Machado y el docente Joseph Vergara, elaboraron el

prototipo para observar y controlar las variables de nivel y de flujo mediante una interfaz

hombre-máquina (HMI).

Se empleó un PLC Siemens S7200 para controlar el nivel de líquido en un tanque para

ensayo o medición con diámetro interno 161 mm, altura de 1100mm y una capacidad de

20 litros. Se usó un transmisor de presión Endress Hausser modelo PMC131-A32F1D10,

un transmisor de flujo marca Kobold modelo DRS-0350 y una bomba centrifuga de ½ HP

Thebe TH16AL.

El transmisor de presión envía una señal para la medición de caudal se realiza en forma

de pulsos para esto se utiliza el transmisor de caudal y la entrada de contador de pulsos

rápidos del PLC, la calibración del transmisor se realizó en base a tiempo de llenado de

volumen y comparando el resultado con el promedio de flujo resultante, para así controlar

el apagado y/o encendido del motor de la bomba centrifuga con un PID Digital. El PLC

permite comunicarse con el programa Intouch (GUI) y permite enviar datos a Excel por

medio de tablas *.csv para analizar resultados con las gráfica generadas por la Interfaz

Gráfica de Usuario.[1]

18

2.1.2 Diseño, implementación y validación de un controlador PID autosintonizado

Los estudiantes de ingeniería eléctrica de la UTP (Universidad Tecnológica De Pereira,

Colombia), Leonardo Lozano Valencia, Luis Rodríguez García y Didier Giraldo Buitrago

diseñaron un controlador PID basado en el método de mínimos cuadrados para estimar

los parámetros de la planta y la reubicación de los polos.

El diseño propuesto es simulado en un computador análogo COMDYNA GP-6 para

describir la dinámica del sistema de acuerdo a las ecuaciones de diferencias de hasta

orden 4. Por medio del método de mínimos cuadrados recursivo se obtiene o estiman los

parámetros del sistema en función de una matriz de ganancia, un vector de regresión y

un error de estimación.

Los coeficientes del controlador PID se investigan por el método de discretización de

acuerdo a la función de transferencia para el sistema en lazo cerrado.

Para sintonizar el controlador se usó el método de la respuesta al escalón desarrollado

por Ziegler-Nichols para alcanzar una respuesta satisfactoria con un tiempo de muestreo

de 200 milisegundos a una señal de referencia propuesta se realizaron todas las

simulaciones en el computador.[2]

2.1.3 Desarrollo del sistema de control de nivel para un tanque surtidor de agua y

almacenador de energía térmica en procesos de lavado y tintorería

La estudiante de Ingeniería Electrónica Sandra Milena Arango Restrepo de la

Universidad Pontificia Bolivariana (Medellín, Colombia) desarrollo el proyecto con el

objetivo de diseñar un sistema de control e instalar elementos como válvulas, relés y

sensores, esto con el objetivo de conservar la energía térmica y almacenar el agua de

recuperado y la que ha sido calentada por medio del serpentín en el tanque alimentador

de las máquinas de lavado y teñido textil, para su ejecución fue necesario realizar una

correspondiente identificación de la instrumentación, de los equipos que serán útiles y

del montaje para el desarrollo del proyecto.

19

Fig. 1 Arquitectura del sistema

En la Fig. 1 se muestra que el sistema no aprovecha los recursos de manera pertinente,

por lo tanto es necesario implementar las acciones de control pertinentes para mejorar

el proceso en cuanto a funcionalidad y reducción de gastos, también se instaló un tablero

de control donde se visualizó estado actual de sensores y bombas.

El PLC toma los datos de nivel, presión y temperatura, los procesa y controla las válvulas

y bombas del sistema para la conservación de temperatura y la recuperación del agua

para el proceso de lavado y teñido textil.[3]

2.2 Marco Teórico

2.2.1 Sensor de temperatura RTD

La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de la variación de

resistencia en función de la temperatura, que es propia del elemento de detección.

El elemento consiste, usualmente, en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor

adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de

vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado

"coeficiente de temperatura de resistencia" que expresa, a una temperatura especificada,

la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su

temperatura.

La relación entre estos factores puede verse en la siguiente expresión lineal:

1t oR R t (1)

20

En donde:

oR Resistencia en ohmios a 0 ºC

tR Resistencia en ohmios a t ºC

Coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0 ºC y 100 ºC es de

0,003850 ºC en la escala práctica de temperaturas internacional (IPTS-68) [4]

En la Fig. 2 pueden verse las curvas de resistencia relativa de varios metales en función

de la temperatura:

Fig. 2 Curvas de resistencia relativa de varios metales vs temperatura

Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes

características:

Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el

instrumento de medida será muy sensible.

Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada

tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad).

Relación lineal resistencia-temperatura.

Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado

y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños

pequeños (rapidez de respuesta).

Estabilidad de las características durante la vida útil del material.[5]

21

2.2.2 Sensor de temperatura termistor

Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de

resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas, y

extremadamente grandes, para los cambios, relativamente pequeños, en la temperatura.

Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre,

magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas y en discos.

Los termistores también se denominan NTC (Negative Temperature Coeficient -

coeficiente de temperatura negativo) existiendo casos especiales de coeficiente positivo

cuando su resistencia aumenta con la temperatura (PTC - Positive Temperature

Coeficient).

La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión.

1 1

t oT T

t oR R e

(2)

En donde:

tR Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta

tT

oR Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia

oT

Constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas.

En la Fig. 3 puede verse la curva característica resistencia-temperatura de termistores.

Fig. 3 Curva resistencia vs temperatura termistor NTC y PTC

En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales.

Al tener un alto coeficiente de temperatura, poseen una mayor sensibilidad y permiten

22

incluso intervalos de medida de 1 °C (span). Son de pequeño tamaño y su tiempo de

respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor, variando de 0,5

a 10 segundos.[5]

2.2.3 Modelo de sistemas

Cuando se hace necesario conocer el comportamiento de un sistema en unas

determinadas condiciones y ante unas determinadas entradas, se puede recurrir a la

experimentación sobre dicho sistema y a la observación de sus salidas. Sin embargo, en

muchos casos la experimentación puede resultar compleja o incluso imposible de llevar

a cabo, lo que hace necesario trabajar con algún tipo de representación que se aproxime

a la realidad, y a la que se conoce como modelo.

2.2.3.1 Tipos de modelos

Los modelos de sistemas físicos pueden ser de muy diversos tipos. Una clasificación, en

función del grado de formalismo matemático que poseen, es la siguiente:

Modelos mentales, intuitivos o verbales: Estos modelos carecen de formalismo

matemático. Para conducir un coche, por ejemplo, se requiere un modelo mental

o intuitivo sobre el efecto que produce el movimiento del volante, pero no es

necesario caracterizar dicho efecto mediante ecuaciones matemáticas exactas.

Modelos no paramétricos: Muchos sistemas quedan perfectamente

caracterizados mediante un gráfico o tabla que describa sus propiedades

dinámicas mediante un número no finito de parámetros. Por ejemplo, un sistema

lineal queda definido mediante su respuesta al impulso o al escalón, o bien

mediante su respuesta en frecuencia.

Modelos paramétricos o matemáticos: Para aplicaciones más avanzadas,

puede ser necesario utilizar modelos que describan las relaciones entre las

variables del sistema mediante expresiones matemáticas como pueden ser

ecuaciones diferenciales (para sistemas continuos) o en diferencias (para

sistemas discretos).[6]

23

2.2.3.2 Identificación de sistemas

Se entiende por identificación de sistemas a la obtención de forma experimental de un

modelo que reproduzca con suficiente exactitud, para los fines deseados, las

características dinámicas del proceso objeto de estudio. El proceso de identificación

comprende los siguientes pasos:

1. Obtención de datos de entrada - salida: Para ello se debe excitar el sistema

mediante la aplicación de una señal de entrada y registrar la evolución de sus entradas

y salidas durante un intervalo de tiempo.

2. Tratamiento previo de los datos registrados: Los datos registrados están

generalmente acompañados de ruidos indeseados u otro tipo de imperfecciones que

puede ser necesario corregir antes de iniciar la identificación del modelo.

3. Elección de la estructura del modelo: Si el modelo que se desea obtener es un

modelo paramétrico, el primer paso es determinar la estructura deseada para dicho

modelo.

4. Obtención de los parámetros del modelo: Se procede a la estimación de los

parámetros de la estructura que mejor ajustan la respuesta del modelo a los datos de

entrada - salida obtenidos experimentalmente.

5. Validación del modelo: El último paso consiste en determinar si el modelo obtenido

satisface el grado de exactitud requerido para la aplicación en cuestión.

24

Fig. 4 Proceso de identificación

Dependiendo de la causa estimada, deberá repetirse el proceso de identificación desde

el punto correspondiente [6]-[7]. Por tanto, el proceso de identificación es un proceso

iterativo, cuyos pasos pueden observarse en el organigrama de la Fig. 4

2.2.3.3 Modelos paramétricos

Los modelos paramétricos están descritos mediante una estructura y un número finito de

parámetros que relacionan las señales de interés del sistema (entradas, salida y

perturbaciones). En muchas ocasiones es necesario realizar la identificación de un

sistema del cual no se tiene ningún tipo de conocimiento previo.

Generalmente estos modelos permiten describir el comportamiento de cualquier sistema

lineal. La dificultad radica en la elección del tipo de modelo (orden del mismo, número de

parámetros, etc.) que se ajuste satisfactoriamente a los datos de entrada - salida

obtenidos experimentalmente.

25

2.2.3.4 Tipos de modelos paramétricos

Generalmente los modelos paramétricos se describen en el dominio discreto, puesto que

los datos que sirven de base para la identificación se obtienen por muestreo. En el caso

de que se requiera un modelo continuo, siempre es posible realizar una transformación

del dominio discreto al continuo.

La expresión más general de un modelo discreto es del tipo (3):

s t t w t (3)

Donde w t es el término que modela la salida debida a las perturbaciones, t la

salida debida a la entrada, y s t la salida medible del sistema. Cada uno de estos

términos puede desarrollarse de la siguiente forma:

1,t G q u t (4)

1,w t H q e t (5)

1,s t A q y t (6)

Donde 1q es el operador retardo, representa un vector de parámetros, u t y e t

son la entrada al sistema y el ruido de entrada al mismo respectivamente, y t es la

salida de interés del sistema (que puede no coincidir con la salida medible).

Tanto 1,G q como 1,H q

son cocientes de polinomios del tipo:

1 111 21

111

...,

1 ...

nk nk nk nb

nb

nf

nf

b q b q b qB qG q

f q f qF q

(7)

1111

111

1 ...,

1 ...

nc

nc

nd

nd

c q c qC qH q

d q d qD q

(8)

Y 1,A q un polinomio del tipo:

1 1

1, 1 ... na

naA q a q a q (9)

26

El vector de parámetros contiene los coeficientes , , ,i i i i

a b c d y i

f de las funciones de

transferencia anteriores. La estructura genérica de estos modelos es por tanto:

1 1 1, ,A q y t G q u t H q e t (10)

1 1

1

1 1

B q C qA q y t u t e t

F q D q

(11)

Para elegir la estructura de este tipo de modelos hay que determinar el orden de cada

uno de los polinomios anteriores, es decir na, nb, nc, nd, nf y el retardo entre la entrada

y la salida nk. Una vez elegidos estos valores, sólo queda determinar el vector de

coeficientes , , ,d ,i i i i i

a b c f que hacen que el modelo se ajuste a los datos de entrada -

salida del sistema real.

En muchos casos, alguno de los polinomios anteriores no se incluye en la descripción

del modelo, dando lugar a los siguientes casos particulares entre otros:

Tabla 1 Diferentes estructuras de modelos paramétricos

En la Fig. 5 se muestra el diagrama de bloques equivalente para cada uno de los modelos

anteriores.

27

Fig. 5 Diagrama de bloques de las estructuras de la tabla 1

La anulación de alguno de los polinomios, resultando estructuras simplificadas, facilita el

proceso de ajuste de parámetros. Cada una de las estructuras (ARX, ARMAX, OE o BJ)

tiene sus propias características y debe ser elegida fundamentalmente en función del

punto en el que se prevé que se añade el ruido en el sistema. En cualquier caso, puede

ser necesario ensayar con varias estructuras y con varios órdenes dentro de una misma

estructura hasta encontrar un modelo satisfactorio. [6], [8]

2.2.4 Intercambiador de calor

Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre

dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que

se mezclen entre sí.

El radiador de automóvil es un intercambiador de calor de tipo compacto (Ver Fig. 6),

diseñado específicamente para lograr una gran área superficial de transferencia de calor

por unidad de volumen. Los pasajes a través de los cuales pasa el flujo en estos

intercambiadores de calor compactos suelen ser pequeños, por lo que se puede

considerar el flujo como laminar.

28

Fig. 6 Radiador típico de un automóvil

La gran área superficial en los intercambiadores compactos se obtiene sujetando placas

delgadas o aletas corrugadas con poco espacio entre sí a las paredes que separan los

dos fluidos. Los intercambiadores compactos como el radiador de un auto son de uso

común en la transferencia de calor de gas (aire) hacia líquido (agua).

En este tipo de intercambiador los dos fluidos suelen moverse de manera perpendicular

entre sí y a esa configuración de flujo se le conoce como flujo cruzado, en la Fig. 7 se

muestra que el flujo cruzado es no mezclado en virtud de que las aletas de placa fuerzan

al fluido a moverse por un espaciamiento particular entre ellas e impiden su movimiento

en la dirección transversal (es decir, paralelo a los tubos).

Fig. 7 Intercambiador de calor (radiador) de flujo cruzado no mezclado

2.2.4.1 Análisis del intercambiador de calor

Los intercambiadores de calor suelen operar durante largos periodos sin cambios en sus

condiciones de operación. Por lo tanto, se pueden considerar como aparatos de flujo

estacionario. Como tales, el gasto de masa de cada fluido permanece constante y las

29

propiedades de los fluidos, como la temperatura y la velocidad, en cualquier entrada o

salida, siguen siendo las mismas.

Asimismo, las corrientes de fluido experimentan poco o ningún cambio en sus

velocidades y elevaciones y, como consecuencia, los cambios en la energía cinética y

en la potencial son despreciables. En general, el calor específico de un fluido cambia con

la temperatura; pero, en un intervalo específico de temperaturas, se puede considerar

como una constante en algún valor promedio, con poca pérdida en la exactitud. La

conducción axial de calor a lo largo del tubo suele ser insignificante y se puede considerar

despreciable. Por último, se supone que la superficie exterior del intercambiador de calor

está perfectamente aislada, de modo que no se tiene pérdida de calor hacia el medio

circundante y cualquier transferencia de calor sólo ocurre entre los dos fluidos.

Las idealizaciones que acaban de describirse se logran muy cerca en la práctica y

simplifican mucho el análisis de un intercambiador de calor con poca desviación en la

exactitud. Por lo tanto son de uso común. Con estas suposiciones, la primera ley de la

termodinámica requiere que la velocidad de la transferencia de calor desde el fluido

caliente sea igual a la transferencia de calor hacia el frío; es decir,

, ,c pc c sal c entQ Cm T T

(12)

, h,h ph h ent salQ m C T T

(13)

En donde los subíndices c y h se refieren a los fluidos frio y caliente, respectivamente, y

cm

, hm

= gastos de masa

pcC , phC = calores específicos

,c salT , ,h sa lT = temperaturas de salida

,c entT , h, entT = temperaturas de entrada

La razón de transferencia de calor Q

se toma como una cantidad positiva y se

sobreentiende que su dirección va del fluido caliente hacia el frío, de acuerdo con la

segunda ley de la termodinámica.

30

En el análisis de los intercambiadores de calor a menudo resulta conveniente combinar

el producto del gasto de masa y el calor específico de un fluido en una sola cantidad.

Ésta se llama razón de capacidad calorífica y se define para las corrientes de los fluidos

caliente y frío en (14) y (15) así:

hh phC m C

(14)

cc pcC m C

(15)

La razón de capacidad calorífica de una corriente de fluido representa la velocidad de la

transferencia de calor necesaria para cambiar la temperatura de esa corriente en 1°C

conforme fluye por el intercambiador de calor.

Con la definición ya descrita de razón de capacidad calorífica, las ecuaciones (12) y (13)

también pueden expresarse como:

, ,c c sal c entQ C T T

(16)

h, h,h ent salQ C T T

(17)

2.2.4.2 Método de la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD)

La diferencia media logarítmica de temperatura se obtiene siguiendo el perfil real de

temperaturas de los fluidos a lo largo del intercambiador y es una representación exacta

de la diferencia de temperatura promedio entre los fluidos caliente y frio.

,ml ml CFT F T (18)

En donde F es el factor de corrección, el cual depende de la configuración geométrica

del intercambiador y de las temperaturas de entrada y de salida de las corrientes de fluido

caliente y frio. En el intercambiador de calor a contra flujo la diferencia media logarítmica

es

1 2

,

1

2

ln

ml C F

T TT

T

T

(19)

31

En la Fig. 8 se da el factor de corrección F para el intercambiador de flujo cruzado de un

solo paso con los dos fluidos no mezclados (radiador de automóvil), en función de las

razones P y R entre dos temperaturas definidas como:

2 1

1 1

t tP

T t

(20)

1 2

2 1

T TR

t t

(21)

En donde los subíndices 1 y 2 se refieren a la entrada y salida, respectivamente. Para

un intercambiador de tubos y coraza, T y t representan las temperaturas del lado de la

coraza y del lado del tubo.[9]-[10]

Fig. 8 Flujo cruzado de un solo paso con los dos fluidos de flujo no mezclado

2.2.5 Norma ISA 88 en procesos de producción

En el estándar ANSI/ISA–S88.01–1995 [11] se define que un proceso batch es un

sistema que induce la producción de cantidades finitas de material, sometiendo a las

cantidades de material de entrada a un conjunto ordenado de actividades de

procesamiento sobre un periodo finito de tiempo, usando uno o más recursos.

En este estándar se ha definido la terminología y los modelos para ayudar a especificar

los recursos disponibles, las recetas y las fases necesarias para la fabricación de un

producto en un sistema de producción. Estos modelos corresponden al modelo físico, al

modelo de control de procedimientos y al modelo de proceso, a continuación en la Fig. 9

se presenta la estructura básica de la norma ISA 88.

32

Fig. 9 Estructura básica de la norma ISA 88

2.2.5.1 Procedimiento del modelo ISA 88

Para precisar los modelos de proceso, físico y de control de procedimientos, se debe

tener en cuenta las siguientes definiciones:

1. Etapa de proceso: parte de un proceso que opera independiente de otras etapas de

proceso. Es el resultado de una secuencia planeada de cambios físicos o químicos en el

material que está siendo procesado.

2. Operaciones de proceso: Conforman las etapas de proceso y representan

actividades especializadas de procesamiento que resultan en un cambio físico o químico

del material que está siendo procesado; pueden establecerse en un orden específico que

se desarrolla para completar una etapa.

33

3. Acciones de proceso: Son las subdivisiones de las operaciones de proceso que

desarrollan un conjunto de actividades menores para llevar a cabo el procesamiento

requerido por cada operación de proceso.

4. Unidad: Conjunto de equipos de procesamiento y control necesarios para desarrollar

actividades mayores de proceso. Operan relativamente independientes unas de otras.

5. Módulos de equipo: Una o varias piezas de equipo que pueden llevar a cabo un

número finito de tareas específicas. Físicamente, pueden estar formados por módulos

de control y otros módulos de equipo; deben ser parte de una unidad.

6. Módulos de control: Son los equipos que llevan a cabo las acciones de control básico.

Típicamente, son una colección de sensores, válvulas, motores, actuadores y otros

módulos de control que permiten establecer y mantener un estado específico de los

equipos y procesos.

7. Procedimiento: Es el nivel superior en la jerarquía y define la estrategia para llevar a

cabo una acción de procesamiento importante como hacer un batch. Está definido en

términos de un conjunto ordenado de procedimientos de unidad.

8. Procedimiento de unidad: Consiste en un conjunto ordenado de operaciones que

causa una secuencia de producción contigua que tendrá lugar dentro de una unidad.

9. Operación: Conjunto ordenado de fases que define una secuencia de procesamiento

más importante que lleva el material en proceso de un estado a otro, y por lo general

incluye un cambio físico o químico.

10. Fase: Es el elemento de control procedimental que puede llevar a cabo una tarea

orientada a proceso. Una fase puede subdividirse en partes más pequeñas. La intención

de la fase es ocasionar o definir una acción orientada a proceso.[12]-[13]

34

3. Metodología

Fig. 10 Estructura fundamental en proyectos de ingeniería [Fuente el Autor]

4. Ingeniería Conceptual

Corresponde a la primera etapa de un proyecto de ingeniería, en la cual se comprende

el problema o necesidad específica que plantea el cliente en este caso la Universidad

Distrital y se concibe una alternativa de solución al problema por parte de los proveedores

(estudiantes de Ingeniería en Control).

Esta etapa comprende los requerimientos que delimitan el alcance global y conceptual

del proyecto, incluido el tipo de tecnología y especificación de equipos disponibles y/o de

los equipos que se requieran para cumplir la necesidad del proyecto.

4.1 Requerimientos

Se debe crear una planta didáctica en el cual se integren los siguientes equipos que

dispone el laboratorio de Industrial de la Universidad Distrital (Ver Tabla 2), para ser

usada como herramienta de aprendizaje a manera de entrenador para la comunidad

académica (estudiantes y docentes de la Facultad Tecnológica) en áreas relacionadas

con instrumentación, control y automatización de procesos.

Tabla 2 Equipos iniciales del proyecto

Cantidad Equipo Descripción

1 PLC Allen Bradley CompactLogix Cat. No. 1769-L23E-QB1B

1 Variador de Velocidad PowerFlex40

Cat. No. 22B-V5P0N104

1 Módulo de Entradas Análogas Compact I/O Module

1769-IF4

35

1 Fuente de Poder 24 VDC Power Supply 30W

Cat. No. IDEC PS5R-SC24

1 Guardamotor Contactor Allen Bradley Cat. No. 140M-D8E-C20

1 Pantalla HMI HMI Allen Bradley

Cat. No. 2711P-T6C20A8

1 Fuente de Poder 24 VDC Power Supply 50W

Cat. No. 1606-XLP50E

1 Switch Ethernet Allen Bradley Stratix 2000

Cat. No.1783-US05T

4.2 Alcance

El alcance del proyecto consta de la construcción, adecuación, montaje y puesta en

marcha de la planta de procesos análogos (PPA).

Se deben seleccionar e instalar sensores para la medición de temperatura y nivel. A partir

de un experimento de identificación establecer un modelo aproximado del sistema

térmico y diseñar estrategias de control PID y On-Off en el PLC, para la supervisión y

control de la temperatura en el tanque de agua fría de la planta por medio de la pantalla

HMI, finalmente generar una serie de prácticas de laboratorio que validen los objetivos

planteados al inicio del proyecto.

4.3 Descripción preliminar del proceso

La planta de procesos análogos contara con tres etapas fundamentales:

1. Etapa de Calentamiento

2. Etapa de Mezcla

3. Etapa de Enfriamiento

En cada una de las etapas se deben seleccionar tanques para almacenamiento del

líquido o fluido de proceso (agua), una bomba que impulse el líquido a través de las

tuberías y válvulas de paso para interconectar los sistemas; seleccionar, adquirir e

instalar sensores de tipo industrial; también sistemas mecánicos o eléctricos que

permitan calentar o enfriar el líquido.

36

4.4 Normatividad

Mediante la consulta de normas y estándares internacionales se definen y validan

parámetros de diseño, selección e instalación de equipos, selección de redes de

comunicación, etc. A continuación se presentan las normas utilizadas para algunos

aspectos que intervienen en la planta:

ANSI/ISA–5.1–1984 (R1992) “Instrument Symbols and Identification”

ISA–S5.3–1983 “Graphic Symbols for Distributed Control / Shared Display

Instrumentation, Logic and Computer Systems”

ANSI/ISAS51.1–1979 (R1993) “Process Instrumentation Terminology”

ANSI/ISA–S88.01–1995 “Batch Control Part 1: Models and Terminology”

NEMA ICS 6–1993 (R2001, R2006) “Industrial Control and System Enclosures”

IPTS–68 “The International Practical Temperature Scale 1968”

IEC 60751 “Industrial Platinum Resistance Thermometers and Platinum

Temperature Sensors”

ITS–90 “The International Temperature Scale of 1990”

ISO 9241 y EN 29241 "Ergonomics requirements of visual display terminals

(VDT’s) used for office Tasks"

ISA–S5.5–1985 "Graphic Symbols for Process Displays"

ANSI/ISA–101.01–2015 “Human Machine Interfaces for Process Automation

Systems”

IEC 61131–3 “Programming Languages in Programmable Logic Controller (PLC)”

4.5 Diagrama de flujo de proceso (PFD)

A partir de la descripción preliminar del proceso se plantea el diagrama de flujo de

proceso de la planta en la Fig. 11.

37

Fig. 11 Diagrama de flujo de proceso de la planta [Fuente el Autor]

5. Ingeniería Básica

En la segunda fase del proyecto se desarrolla la alternativa de solución presentada en la

ingeniería conceptual, allí se mostraran los diseños definitivos de la estructura física de

la planta, los diagramas de instrumentación y tuberías (P&ID) y se realizará el listado de

equipos que componen el proyecto.

5.1 Descripción general de la planta

La planta de procesos análogos (PPA) está conformada por una estructura metálica en

la cual se encuentran (3) tres tanques en acrílico transparente de 5mm de espesor, de

diferentes tamaños y formas (uno de forma cilíndrica y dos de forma cubica) están

interconectados por tuberías que permiten el flujo de líquido (agua) proveniente de una

bomba que esta acoplada a un motor trifásico de 0,75 HP, posee válvulas de tipo manual

y solenoides, también cuenta son sensores de tipo industrial para medir variables de nivel

y temperatura.

38

En el tablero de control se encuentran las conexiones eléctricas de los diferentes equipos

que componen la planta, existen sistemas de protección para los actuadores (relés

magnéticos), dos fuentes de alimentación 24 VDC y una fuente conmutada de 12 VDC,

un variador de velocidad, un guardamotor, una pantalla HMI, un módulo de entradas

análogas, un controlador lógico programable (PLC), un switch ethernet y borneras de

conexión de entrada/salida para facilitar el cableado de los dispositivos.

En la Fig. 12 se puede observar la planta diseñada en donde se evidencia la integración

de los tres niveles iniciales de la pirámide de automatización.

Fig. 12 Planta de procesos análogos [Fuente el Autor]

39

5.2 Descripción del proceso

El proyecto se centra en la identificación del modelo matemático aproximado del sistema

térmico del tanque de agua fría (TK-100), la implementación de un controlador digital en

el PLC para mantener la temperatura del tanque de suministro por medio de un

intercambiador de calor (radiador) y a través de la pantalla HMI y el PLC se realizará un

sistema de supervisión y control de la variable temperatura que interviene en el proceso.

En la Fig. 13 se puede observar el diagrama de instrumentación y tubería (PI&D) de la

planta basados en la norma ANSI/ISA-5.1-1984(R1992) [14] y la norma ISA-S5.3-1983

[15] respectivamente.

Fig. 13 Diagrama PI&D de la planta [Fuente el Autor]

40

La planta no está diseñada para ser una plataforma tipo batch, pero haciendo uso de la

norma ANSI/ISA–S88.01–1995 [11] referente a este tipo de procesos se puede describir

y relacionar la información del diagrama PI&D con el modelo físico que propone el

estándar para jerarquizar los equipos de la planta en términos de células, unidades,

módulos de equipos y módulos de control.

A continuación se presenta en la Fig. 14 el modelo físico de la planta de procesos

análogos.

Fig. 14 Modelo físico de la planta de acuerdo a la norma ISA88

[Fuente el Autor]

41

5.3 Descripción de instrumentación y equipos

En la Tabla 3 se describen los equipos e instrumentos que conforman la planta.

Tabla 3 Instrumentación y equipos de la PPA

Nombre Fotografía Descripción Servicio

Tanque de Agua Fría

(TK-100)

Tanque de suministro fabricado en acrílico de

5mm de espesor, capacidad 45 Litros. Enfriamiento

Válvula Manual (HV-100)

Válvula de bola de ½ ’’, para permitir o no la

circulación del fluido (agua) Enfriamiento

Bomba (P-100)

Bomba acoplada a un motor trifásico de 3/4 HP,

sirve para hacer circular el fluido (agua) a través

de la tuberías hacia los diferentes tanques.

Enfriamiento

Válvula Manual de

Drenaje (HV-101)

Válvula de bola de 1/8 ’’ sirve de drenaje o

purga de la bomba. Enfriamiento

Sensor de Nivel Bajo

(LAL 100)

Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para el nivel

bajo del tanque de suministro. Enfriamiento

Sensor de Nivel Alto

(LAH 100)

Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para el nivel

alto del tanque de suministro. Enfriamiento

Sensor de Temperatura

RTD PT100 (TE 100)

Sensor que registra la temperatura dentro del

tanque de suministro.

Rango: -200 ºC a 950 ºC

Enfriamiento

Transmisor de

Temperatura (TT 100)

Señal de salida: 4-20 mA

Voltaje de alimentación: 24 VDC

Rango: 0 ºC a 50 ºC

Enfriamiento

Intercambiador de Calor

Radiador (E1)

Radiador de un vehículo, se usa para enfriar el

líquido (agua). Voltaje Funcionamiento: 12 VDC Enfriamiento


Termistor (TE 101)

Sensor que registra temperatura de entrada del

intercambiador de calor.


Enfriamiento

Transmisor de


Señal de salida: 0-10 VDC



Enfriamiento

Resistencia Térmica

(HE 100)

Resistencia de Inmersión, Potencia: 80 W

Voltaje de alimentación: 110 VAC

Ubicado en el tanque de Suministro.

Enfriamiento

42


Termistor (TE 102)

Sensor que registra temperatura de salida del

intercambiador de calor.


Enfriamiento

Transmisor de


Señal de salida: 0-10 VDC



Enfriamiento

Válvula Solenoide

(HV-102)

Ref. 2W040-10, Port Size: ½ ’’

Standard Voltage: 110 VAC

Working Pressure Water: 0-0,07Mpa

Ubicado a la entrada del tanque de suministro.

Enfriamiento

Tanque de Mezcla

(TK-101)

Tanque de mezcla fabricado en acrílico de 5mm

de espesor, capacidad 100 Litros. Mezcla

Válvula Manual (HV 103)

Válvula de bola de 1/8 ’’, para permitir o no la

circulación del fluido (agua). Mezcla




Sensor de Nivel

Ultrasónico (LE 103)

Sensor de Ultrasonido Pepperl+Fuchs

Ref. UB500-18GM75-I-V15, Rango: 3-50cm

Ubicado en el tanque de mezcla.

Mezcla

Transmisor de Nivel

(LT 103)


Voltaje de alimentación: 24VDC Mezcla




Válvula Solenoide

(HV-105)

Ref. 2W040-10, Port Size: ½ ’’

Standard Voltage: 110 VAC

Working Pressure Water: 0-0,07Mpa

Mezcla

Tanque de Agua Caliente

(TK-102)

Tanque de almacenamiento de agua caliente

fabricado en acrílico de 5mm de espesor, forma

cilíndrica, capacidad 68 Litros.

Calentamiento



circulación del fluido (agua). Calentamiento

Resistencia Térmica

(HE 104)

Resistencia de Inmersión, Potencia: 200 W

Voltaje de Alimentación: 110 VAC Calentamiento

43

Sensor de Nivel Bajo

(LAL 104)

Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para el

asegurar nivel de agua para activar la

resistencia térmica.

Calentamiento

Sensor de Nivel Presión

Diferencial (PE 104)

Sensor de Nivel Presión Diferencial

Ref. Rosemount 2051c

Rango: 0-40 cm

Calentamiento

Transmisor Nivel (LT 104)


Voltaje de alimentación: 24VDC Calentamiento


Termopar Tipo J (TE 104)

Sensor que registra la temperatura dentro del

tanque de agua caliente.


Calentamiento

Transmisor de




Rango: 0 ºC a 100 ºC

Calentamiento



circulación del fluido (agua). Calentamiento

PLC

Allen Bradley CompactLogix

Cat. No. 1769-L23E-QB1B

16 Digital Inputs, 16 Digital Outputs,

Ethernet Port, 9-pin isolated Serial port. [16]

--------------

Variador de Velocidad

PowerFlex40

Cat. No. 22B-V5P0N104

Voltage Rating: 120 VAC

Output Current: 5 A, Output Power:1 HP

Output: 0-230 Volts 3-phase. [17]

--------------

Módulo de Entradas

Análogas

Compact I/O Module 1769-IF4

Number Inputs: 4 Differential or single-ended

Analog Normal Operations Range:

Voltage: +-10V, 0-10 V, 0-5V, 1-5V

Current: 0-20 mA, 4-20 mA

Resolution: 14 bits. [18]

--------------

Fuente de Poder 24 VDC

Power Supply IDEC PS5R-SC24

Input Voltage: 100-240 VAC

Output Voltage: 24 VDC ,Output Power: 30W

Output Current. 1,3 A. [19]

--------------

Guardamotor

(Disyuntor) Contactor Allen Bradley

Cat. No. 140M-D8E-C20

Motor Current Adjustment Range: 14,5-20 A

Nominal Magnetic Trip Current: 260 A. [20]

--------------

44

Pantalla HMI

HMI Allen Bradley

Cat. No. 2711P-T6C20A8

Size Screen:5.7’’, Display Type: Color

Communication Ports:

RS-232, Ethernet, USB. [21]

--------------

Fuente de Poder 24 VDC

Power Supply

Cat. No. 1606-XLP50E

Input voltage: 100-240 VAC

Output voltages: 24 VDC ,Output Power: 50W

Output Current. 2,1 A. [22]

--------------

Switch Ethernet

Allen Bradley Stratix 2000

Cat. No. 1783-US05T

Power Supply voltage: 24 VDC

Ethernet Connections: 5 ports RJ45. [23]

--------------

Fuente Conmutada

Input Voltage: 100-240 VAC

Output Voltage: 12 VDC, Output Current. 10A

Utilizada para alimentar el radiador y los

transmisores de temperatura (TT101) y (TT102).

--------------

Baliza de Señalización

Ref. Tower Light LTA-205

Input Voltage: 100 VAC

Voltage Activation: 24 VDC

Bulb Power: 5W, 3 Colors: Red, Amber, Green

--------------

Relés Térmicos

Ref. JZX-22F-4Z-24VDC

Relés para activación de actuadores (válvulas

solenoides, el radiador y resistencias térmicas)

desde una señal de salida digital del PLC.

--------------

5.4 Descripción del sistema de control

El sistema cuenta con dos acciones de control: un controlador PID y un controlador On-

Off.

El controlador PID permite regular la temperatura dentro del tanque de agua fría o

suministro (TK-100), la condición inicial del sistema es que el agua presente en el tanque

está a una temperatura mayor a la temperatura ambiente. El control de temperatura se

realiza a través de un intercambiador de calor (radiador), que por medio de la acción de

control del variador de velocidad sobre la bomba hace recircular agua, y permitirá enfriar

el líquido al valor de temperatura o set point (SP) que ingrese el usuario en la HMI o el

PLC. La variable de proceso (PV) es el sensor RTD PT100 que esta al interior del tanque

y registrará la temperatura. (Ver Fig. 15)

45

Fig. 15 Diagrama de bloques de sistema de control PID

[Fuente el Autor]

El controlador On-Off permite supervisar el nivel máximo y mínimo del tanque de agua

fría (TK-100), por medio de sensores de nivel (tipo interruptor) que son conectados a

entradas digitales del PLC. Cuando por alguna razón no exista agua suficiente en el

tanque o llegue a su capacidad máxima se activaran las alarmas de nivel bajo y alto, esto

genera la acción del controlador que envía una señal de cero “0” al variador de velocidad

para que reduzca la velocidad de la bomba; en caso contrario si no están activas las

alarmas el controlador permitirá que el sistema continúe en funcionamiento y el variador

mantendrá la velocidad predefinida por el usuario en la HMI. (Ver Fig. 16)

Fig. 16 Diagrama de bloques de sistema de control On-Off [Fuente el Autor]

46

6. Ingeniería en Detalle

Es la fase más importante en el desarrollo del proyecto donde a partir de la ingeniería

conceptual y básica se visualiza la planta como algo real y tangible.

Allí se evidencia paso a paso la selección e instalación de sensores, el modelo del

intercambiador de calor, el experimento de identificación, el diseño del sistema SCADA

en FactoryTalk View, la programación del PLC en el software RSlogix5000, y el

cumplimiento de los objetivos propuestos al inicio del proyecto.

6.1 Selección sensores de temperatura

Para medir la temperatura dentro del tanque de suministro y para caracterizar el

intercambiador de calor se analizaron diferentes tipos de sensores de temperatura

industriales, sus características estáticas y dinámicas como (error, exactitud, precisión,

rango, zona muerta, sensibilidad, repetibilidad, linealidad, tiempo de respuesta, entre

otros); además del costo, el tamaño y el entorno donde estarían ubicados los sensores

en la planta.

6.1.1 Sensor RTD

En el tanque de agua fría o de suministro se eligió un detector de temperatura resistivo

(RTD) PT100 de 3 hilos clase A (Ver Fig. 17 y Tabla 4), con tubo de protección

(termopozo) de 35cm de longitud en acero inoxidable 304, para medir la temperatura en

la mitad del tanque.

El termopozo cumple con un grado de protección NEMA 4 que según el estándar NEMA

ICS 6 [24], garantiza el óptimo funcionamiento del equipo al ser utilizado en interiores y/o

exteriores, además provee la seguridad al personal que lo utiliza, también es un escudo

de protección robusto para los equipos contra ambientes que van desde el polvo, tierra,

pelusa y fibra hasta ambientes como son chorros de agua directos, lluvia, nieve y agua-

nieve.

Fig. 17 RTD PT100 [Fuente el Autor]

47

Los valores de aceptación de los valores de las sondas (tolerancias) en Europa, basados

en la norma IEC 60751 [25] para sondas de resistencia de platino son:

Tabla 4 Clasificación y tolerancias de las sondas de resistencia IEC 60751

Temperatura (ºC) Clase A (ºC) Clase B (ºC)

0 0,15 0,30

100 0,35 0,80

200 0,55 1,3

Siendo la precisión de las clases:

CLASE A: 0,15 0,002 ºCt

CLASE B: 0,3 0,005 ºCt

Donde t es el valor absoluto de la temperatura en ºC. Estos valores de temperatura de

la norma IEC 60751 están caracterizados en términos de la norma de escala

internacional de temperatura de 1990 (ITS-90). [26]

El sensor posee un alto grado de sensibilidad, repetibilidad, respuesta lineal, y alta

exactitud. En la Tabla 5 se describen las especificaciones del sensor dadas por el

fabricante.

Tabla 5 Especificaciones sensor PT100

Maker MR

Model No. MR2091-1/2-350 Weight: 510 gr

Element PT100 (Platinum)

Temperature Range

Normal [Recommended]: -100 to 350 ºC (-148 to 662 ºF)

Maximum: -100 to 400 ºC (-148 to 752 ºF)

Terminal Contact

3EA (Applied 3 wire: A, B, b)

Material

Terminal Head Aluminum Alloy

Contact Plate Zircon Ceramic

Head Coating Melamine resin (Metallic Silver

Color)

Protection Tube (Probe Part) Stainless Steel 304

Fixing Thread Stainless Steel 304

48

Size

Total Length 480mm (18,9’’)

Protection Tube (Probe Part) Length 350mm (13,8’’)

Probe Part Diameter 8mm (0,32’’)

Fixing Thread PT ½’’ (Taper Thread), compatible

with NPT ½’’

Head Diameter 82mm (3,22’’)

Lead Wire Inner Part Diameter Available max. 10mm wire inserting

Para generar una señal eléctrica proporcional a la temperatura deseada se adquirió un

transmisor de temperatura (Ver Fig. 18), que convierte la magnitud de resistencia en un

valor de corriente de 4-20mA. Esta señal será ingresada al PLC por medio de una entrada

del módulo análogo.

Fig. 18 Transmisor de temperatura para la RTD PT100

[Fuente el Autor]

En la Tabla 6 se presentan las características del transmisor.

Tabla 6 Especificaciones transmisor de temperatura

Sensor PT100

Measuring Range 0 ºC – 50 ºC

Output 4 – 20 mA

Working Voltage 24 VDC

Accuracy +- 0,2% Full Scale

Dimensions 45mm diameter (1,77 inch)

Weight 25 gr

49

6.1.2 Linealización sensor RTD PT100 4-20 mA

Para realizar el proceso de linealización de la RTD se obtuvo la ecuación característica

a partir de los datos tomados experimentalmente de Corriente vs Temperatura para

visualizar la lectura en la interfaz gráfica de usuario en la pantalla HMI.

Tabla 7 Datos corriente vs temperatura RTD

Corriente (mA) Temperatura (ºC)

4 0

4,07 1

4,12 2

4,46 3

4,8 4

5,13 5

5,47 6

5,81 7

6,14 8

6,48 9

6,82 10

7,1 11

7,38 12

7,61 13

8,1 14

8,57 15

8,79 16

9,06 17

9,65 18

9,94 19

10,21 20

10,48 21

10,92 22

11,37 23

11,56 24

12,14 25

12,42 26

12,77 27

12,98 28

13,33 29

13,6 30

13,83 31

14,26 32

14,46 33

14,72 34

14,91 35

15,58 36

15,92 37

16,26 38

16,60 39

16,93 40

17,27 41

17,61 42

17,94 43

18,28 44

18,62 45

18,96 46

19,29 47

19,63 48

19,97 49

20 50

En la Fig. 19 se observa el comportamiento lineal de la salida en corriente vs temperatura

de la RTD según los datos de la Tabla 7 y en (22) se presenta la ecuación del sensor

linealizado de 4-20mA.

2,9803 10,457y x (22)

50

Fig. 19 Gráfica corriente vs temperatura RTD

[Fuente el Autor]

6.1.3 Características estáticas sensor PT100

Para introducir las siguientes definiciones se tiene en cuenta la norma ISA 51.1 [27]

referente a terminología en instrumentación de procesos.

En (23) el valor promedio de las lecturas realizadas con el sensor de temperatura.

1 2 3

1

...1 nn

i

i

a a a ax a

n n

(23)

Para realizar los cálculos de las especificaciones estáticas de la RTD, se toman datos en

varios valores de temperatura y se usa como patrón de medición la cámara termográfica

FLIR i7 [28] (Ver Anexo 10.2), los datos obtenidos se muestran en la Tabla 8.

Tabla 8 Datos tomados para la caracterización del sensor RTD

No. Valor Medido en grados centígrados (ºC)

25 30 35 40 45 50

1 25,01 30,02 35,03 40,02 45,02 50,01

2 25,03 30,01 35,04 40,03 44,98 49,98

3 25,02 30,01 35,02 39,99 45,03 49,97

4 25,04 30,04 35,03 40,01 45,01 50,03

5 24,97 30,03 35,04 40,03 44,98 50,04

6 25,03 30,05 35,02 40,02 45,01 50,02

7 25,05 30,02 35,01 39,98 45,04 49,96

8 24,98 30,03 35,02 40,01 44,99 50,01

9 25,03 30,04 35,03 40,03 45,02 50,03

10 25,02 30,01 35,01 40,04 45,04 50,02

51

Error sistemático

El promedio de varias lecturas esta desplazado respecto al valor definido como

verdadero, que a su vez, es el valor de referencia tomado de la cámara termográfica

FLIR i7.

TE x x (24)

Error bias

Es el error sistemático expresado en porcentaje.

% 100%T

T

x xE

x

(25)

Varianza

Esta medida nos permite identificar la diferencia promedio que hay entre cada uno de los

valores respecto a su punto central.

2

2

1

1

1

n

i

i

s x xn

(26)

Desviación estándar

Esta medida nos permite determinar el promedio aritmético de fluctuación de los datos

respecto a su punto central o media. La desviación estándar nos da como resultado un

valor numérico que representa el promedio de diferencia que hay entre los datos y la

media.

2s s (27)

Teniendo en cuenta que en la medición se toma un intervalo de confianza del 95% y se

calcula el área en una cola de la curva de la campana, se obtiene

1 0,95 (28)

Se despeja de (28)

1 0,95 0,05 (29)

Los grados de libertad (gl) para una muestra de 10 datos

1 10 1 9gl n (30)

52

Con base en los grados de libertad=9 y un área en una cola de 0,05; se buscó el valor

critico de t en una distribución de probabilidad t-student [29]-[30], el cual corresponde a

1,8331(Ver Fig. 20)

Fig. 20 Valor crítico de t para los grados de libertad y área en una cola

Ajuste desviación estándar por t-student

*p students s t (31)

Exactitud en un punto

Cercanía al valor verdadero: Incluye los efectos del error sistemático y del error de

precisión.

2

2 **

p

p

sAcc s

n (32)

El análisis estadístico de los datos se realizan en el software Microsoft Excel®, en la

Tabla 9 se muestran los resultados.

Tabla 9 Resultado de características estáticas del sensor PT100

Patrón ºC 25 30 35 40 45 50

Promedio x 25,016 30,023 35,022 40,014 45,010 50,006

Error Sistemático E 0,01636 0,02363 0,02272 0,01454 0,01090 0,00636

Error Bias 1,63636 2,36363 2,27272 1,45454 1,09090 0,63636

Varianza 2s 0,00055 0,00022 0,00014 0,00031 0,00042 0,00062

Desviación Estándar s 0,02346 0,01493 0,01212 0,01776 0,02065 0,02496

53

Desviación Estándar *ps 0,04301 0,02738 0,02223 0,03257 0,03785 0,04575

Exactitud Acc - 1,45 %

a 1,81 %

- 2,26 % a

2,45 %

- 2,2 % a

2,33 %

- 1,36 % a

1,53 %

- 1,002 % a

1,17 %

- 0,54 % a

0,73 %

6.1.4 Sensor termistor

Para caracterizar el intercambiador de calor se adquirieron dos termistores tipo NTC de

50K (Ver Fig. 21), ambos para medir la temperatura de entrada y la temperatura de

salida del intercambiador respectivamente.

Fig. 21 Termistor NTC de 50 KΩ [Fuente el Autor]

El sensor posee un alto coeficiente de temperatura, sensibilidad y su tamaño reducido

permite su fácil instalación en la tubería plástica que lleva el agua al intercambiador.

En la Tabla 10 se describen las especificaciones del sensor dadas por el fabricante donde

encontramos los datos Temperatura vs Resistencia.

Tabla 10 Comportamiento característico termistor NTC Ítem

K

Temperatura

ºC KX

Sensor NTC

K KR

1 22 50

2 30 39,5

3 40 26,1

4 60 12,1

5 70 8,5

6 95 3,8

7 105 2,8

En la Fig. 22 se presenta la gráfica y la ecuación característica del sensor NTC, como

podemos observar el comportamiento del termistor es de tipo exponencial.

54

Fig. 22 Gráfica resistencia vs temperatura del termistor

[Fuente el Autor]

6.1.5 Diseño del transmisor de temperatura 0-10 VDC

Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variación de la resistencia con la

temperatura no es lineal, por tal motivo es necesario diseñar un circuito que acondicione

la señal. [31]

Las entradas del módulo análogo del PLC nos permiten valores de voltaje de 0 a 10 VDC,

conociendo esto se procedió a linealizar los sensores de temperatura en este rango de

voltaje.

El método de linealización del sensor consiste en encontrar una resistencia fija en

paralelo al termistor, a esta resistencia la llamaremos resistencia de linealización L

R , en

(33) se presenta la ecuación característica del termistor.

0,035107,25 xy e (33)

Para lo cual se requiere el valor de p , el cual se halla mediante (34)

jb x

pb a

(34)

Donde j es cualquier valor entre 1 y 7 (ver Tabla 10).

En este caso elegimos 4j , es decir un valor intermedio de temperatura 60j

x , así

que se halla p :

55

105 60

0,72105 22

p

(35)

Y para calcular L

R se utiliza (36) así:

a b j j b a

L

b a b j

R R R pR R RR

p R R R R

(36)

Para todo 1,2,3,..., 1j n ; se reemplaza los valores en (36) y se obtiene

50 2,8 12,1 0,72 2,8 5017,641

0,72 2,8 50 2,8 12,1L

R K

(37)

Se aproxima a un valor comercial de resistencia 18 K , y con este valor se aplica la

ecuación (38)

k L

k k

k L

R Rr r x

R R

(38)

Así se obtiene la Tabla 11 y en la Fig. 23, se observa la gráfica del sensor linealizado

con su respectiva ecuación.

Tabla 11 Sensor linealizado Ítem

K

Temperatura

ºC KX

Sensor NTC

K KR k

r

1 22 50 13,0403597

2 30 39,5 12,1949053

3 40 26,1 10,5264069

4 60 12,1 7,1772243

5 70 8,5 5,73617957

6 95 3,8 3,12653497

7 105 2,8 2,41646371

Fig. 23 Gráfica resistencia vs temperatura termistor linealizado

[Fuente el Autor]

56

Con estos datos ahora se diseña el circuito de medición de la Fig. 24, y se calcula por

medio de un divisor de voltaje S

V con (39)

F k

S

L K

V RV

R R (39)

Fig. 24 Circuito de medición termistor

[Fuente el Autor]

Los resultados se pueden observar en la Tabla 12

Tabla 12 Temperatura vs Voltaje Temperatura

ºC KX

Voltaje

SV

22 7,35294118

30 6,86956522

40 5,91836735

60 4,01993355

70 3,20754717

95 1,74311927

105 1,34615385

En la Fig. 25 se observa el comportamiento lineal de la salida en voltaje vs temperatura

del termistor según los datos de la Tabla 12 y en (40) se presenta la ecuación del sensor

linealizado de 0–10 VDC.

y 0,0753 8,8913x (40)

Cabe anotar que la linealización presentada tiene un coeficiente de correlación de

2 0,9858R .

57

Fig. 25 Gráfica temperatura vs voltaje del termistor NTC

[Fuente el Autor]

Por ultimo como la planta no cuenta con una fuente de voltaje con salida 10 VDC,

entonces se usa la fuente conmutada 12 VDC y se coloca un regulador de 10 Voltios

(LM7810) en serie al circuito de medición del termistor (ver Fig. 24), y así se obtiene el

esquemático y el circuito impreso del transmisor de temperatura para los dos termistores

que se presentan en la Fig. 26 y Fig. 27 respectivamente.

Fig. 26 Esquemático transmisor de temperatura termistor NTC [Fuente el Autor]

Fig. 27 Circuito impreso transmisor de temperatura termistor NTC

[Fuente el Autor]

6.1.6 Características estáticas sensor termistor

Para realizar los cálculos de las especificaciones estáticas del termistor, se toman datos

en varios valores de temperatura y se usa como patrón de medición la cámara

58

termográfica FLIR i7 [28] (Ver Anexo 10.2), los datos obtenidos se muestran en la Tabla

13.

Tabla 13 Datos tomados para la caracterización del sensor termistor

No. Valor Medido en grados centígrados (ºC)

25 30 40 45 50 55

1 25,04 29,97 40,03 45,03 50,04 55,02

2 25,02 30,03 39,98 45,02 50,03 54,98

3 24,98 30,01 40,01 44,98 50,01 55,04

4 25,03 30,02 40,03 45,04 49,97 55,01

5 24,97 29,98 39,97 45,01 50,02 54,97

6 25,03 30,05 40,02 44,96 50,01 55,02

7 25,04 29,98 40,04 45,03 50,04 54,98

8 25,01 30,03 39,99 45,02 49,96 55,03

9 25,03 29,97 40,01 44,98 50,03 55,03

10 24,97 30,02 39,98 45,01 49,98 54,97

El análisis estadístico de los datos se realizan en el software Microsoft Excel®, en la

Tabla 14 se muestran los resultados.

Tabla 14 Resultado de características estáticas del sensor Termistor NTC

Patrón ºC 25 30 40 45 50 55

Promedio x 25,010 30,005 40,005 45,007 50,008 55,004

Error Sistemático E 0,01090 0,00545 0,00545 0,00727 0,00818 0,00454

Error Bias 1,09090 0,54545 0,54545 0,72727 0,81818 0,45454

Varianza 2s 0,00066 0,00067 0,00049 0,00056 0,00070 0,00060

Desviación Estándar s 0,02574 0,02606 0,02230 0,02377 0,02656 0,02462

Desviación Estándar *ps 0,04719 0,04777 0,04088 0,04358 0,04869 0,04514

Exactitud Acc - 0,89 %

a 1,28 %

- 0,37 % a

0,71 %

- 0,43 % a

0,65 %

- 0,62 % a

0,82 %

- 0,76 % a

0,92 %

- 0,36 % a

0,54 %

6.2 Instalación sensores

6.2.1 Sensor PT100 y sensores de nivel

El sensor RTD PT100 está ubicado en el interior del tanque de agua fría o de suministro

(TK-100), también se colocaron sensores de nivel bajo y alto tipo interruptor (LAL 100) y

(LAH 100) respectivamente en el tanque. (Ver Fig. 28)

59

Fig. 28 Instalación sensor RTD PT100 y sensores de nivel [Fuente el Autor]

6.2.2 Sensores de temperatura termistor

Los termistores NTC de 50 KΩ (TE 101) y (TE 102) se instalaron dentro de la tubería

plástica que lleva el agua hacia el intercambiador de calor (radiador), para medir la

temperatura del líquido al ingreso y la salida del mismo. (Ver Fig. 29 y Fig. 30)

respectivamente.

Fig. 29 Instalación termistor a la entrada del intercambiador de calor [Fuente el Autor]

60

Fig. 30 Instalación termistor a la salida del intercambiador de calor [Fuente el Autor]

6.3 Modelo

6.3.1 Modelo sensor RTD

Con los datos obtenidos del proceso de linealización del sensor RTD, se obtuvo la

siguiente ecuación:

2,9803 10,457y x (41)

En la cual se relaciona la temperatura en ºC como variable de entrada del sensor y la

salida la corriente en un rango de 4-20 mA, como se puede apreciar en la Fig. 31 se

muestra el diagrama de bloques del sensor.

Fig. 31 Diagrama de bloques sensor RTD [Fuente el Autor]

El modelo del diagrama de bloques se genera utilizando la herramienta Simulink de

MATLAB® así:

61

Fig. 32 Diagrama de bloques en simulink sensor RTD [Fuente el Autor]

Se crea un subsistema del modelo del sensor para expresarlo como un bloque, con el fin

de obtener un diagrama organizado y de fácil interpretación; se comprueba el modelo

ingresando diferentes valores de temperatura verificando que la salida en corriente

concuerde con los datos obtenidos en la Tabla 7.

6.3.2 Modelo sensor termistor

Con los datos obtenidos del proceso de linealización del sensor termistor, se obtuvo la

siguiente ecuación:

y 0,0753 8,8913x (42)

En el cual se relaciona la temperatura en ºC como variable de entrada del sensor y la

salida de voltaje en un rango de 0-10 VDC, como se puede apreciar en la Fig. 33 se

muestra el diagrama de bloques del sensor.

Fig. 33 Diagrama de bloques sensor Termistor [Fuente el Autor]

El modelo del diagrama de bloques se genera utilizando la herramienta Simulink de

MATLAB® así:

62

Fig. 34 Diagrama de bloques en simulink sensor termistor [Fuente el Autor]

Se crea un subsistema del modelo del sensor para expresarlo como un bloque, con el fin

de obtener un diagrama organizado y de fácil interpretación; se comprueba el modelo

ingresando diferentes valores de temperatura verificando que la salida en voltaje

concuerde con los datos obtenidos en la Tabla 12.

6.3.3 Modelo bomba

Para realizar el modelo de la bomba se define como entrada una variable de tipo entero

(PowerFlex_40:O:FreqCommand) que está relacionada con la frecuencia que se le

inyecta al variador de velocidad PowerFlex40 multiplicada por 10, la frecuencia de trabajo

del variador tiene un rango de (0-60Hz), siendo 60Hz la máxima velocidad.

La energía inyectada por la variable (PowerFlex_40:O:FreqCommand) al motor trifásico

por medio del variador es convertida en un movimiento circular que hace mover el impeler

de la bomba y así obtener a la salida un caudal que alimentará al tanque de agua fría.

(Ver Fig. 35)

Fig. 35 Diagrama de bloques bomba [Fuente el Autor]

El modelo dinámico para una bomba se puede realizar de manera compleja o de manera

simple, se realiza un modelo complejo cuando se está diseñando una bomba o cuando

63

se está analizando un caso específico de interacción de varias bombas; para otros fines

un modelo simple de bomba es el más adecuado.

Un modelo simple para una bomba se realiza usando una tabla de la curva característica

de la bomba y una función de transferencia de primer orden que modela el retardo de la

bomba. (Ver Fig. 36)

Fig. 36 Modelo dinámico simple para una bomba [Fuente el Autor]

Antes de hallar el modelo de la bomba, se debe escalar el tanque para medir su volumen,

para esto se tomó una probeta de 1 Litro de capacidad del laboratorio de Física de la

Universidad Distrital FJC – Facultad Tecnológica para calcular el volumen del tanque.

Fig. 37 Probeta capacidad 1000ml

[Fuente el Autor]

Luego se activa la bomba a un valor de frecuencia con el fin de poder medir el volumen

en función del tiempo y calcular el volumen; se busca el rango de trabajo en frecuencia

para el cual la bomba puede impulsar líquido al tanque, obteniendo como resultado la

Tabla 15.

64

Tabla 15 Datos Frecuencia vs Caudal de la bomba

% Frecuencia

[Hz]

PowerFlex_40:O:FreqCommand

[0 - 600]

Caudal 3cm s

0 27 270 0

25 35,25 352,5 82,6820903

30 36,9 369 129,45648

35 38,55 385,5 132,131715

40 40,2 402 146,105068

45 41,85 418,5 163,980844

50 43,5 435 169,067571

55 45,15 451,5 171,297617

60 46,8 468 190,221667

65 48,45 484,5 213,184312

70 50,1 501 215,066141

75 51,75 517,5 226,105537

80 53,4 534 234,389255

85 55,05 550,5 243,916717

90 56,7 567 248,108382

95 58,35 583,5 267,687869

100 60 600 280

De la tabla anterior se obtiene la respuesta de la bomba que suministra el agua al tanque,

se tiene un rango de trabajo para la variable de control (PowerFlex_40:O:FreqCommand)

de (270-600) y el caudal máximo es de 280 3cm s

En Simulink se agrega el bloque “1-D Lookup Table” el cual representará el

comportamiento de la bomba.

Fig. 38 Bloque en simulink para el modelo bomba [Fuente el Autor]

65

Este bloque es usado para encontrar un modelo no paramétrico del sistema, por medio

de la tabla de datos obtenida la cual es ingresada configurando vectores de entrada y

salida.

Como la respuesta de la bomba depende de la rampa de aceleración y desaceleración,

será modelado el sistema de primer orden teniendo en cuenta el tiempo de aceleración

y desaceleración [17] que se muestra en la Fig. 39.

Fig. 39 Rampa aceleración desaceleración generado por el variador de velocidad

Dentro del programa creado en RSLogix5000 se encuentra la configuración del variador

PowerFlex40 [17], en la Fig. 40 se puede observar la configuración de “Parameter List”

del cual se tiene que el tiempo de aceleración y desaceleración es de 10 segundos el

cual es el tiempo en el que se estabiliza la bomba.

Fig. 40 Datos de tiempo rampa aceleración y desaceleración programada en RSLogix5000

[Fuente el Autor]

66

El sistema de primer orden es de la forma (43)

1

1

y sG s

u s s

(43)

Cuya respuesta es una exponencial [32] y se muestra en la Fig. 41

Fig. 41 Gráfica respuesta de un sistema de primer orden

Cuando la rampa de aceleración del variador termina transcurren 10 segundos y llega al

estado estable en 5 así que:

10

2,55

(44)

Se reemplaza (44) en (43) y se obtiene

1

2,5 1

y s

u s s

(45)

Se aplica la transformada inversa de Laplace a (45)

1

u y2,5

dyt t

dt (46)

En la Fig. 42 se expresa el retardo del variador en un diagrama de bloques.

67

Fig. 42 Diagrama de bloques en simulink modelo bomba con retardo

[Fuente el Autor]

6.3.4 Modelo intercambiador de calor

El intercambiador de calor usado es un radiador de un automóvil, el cual es un

intercambiador compacto de agua hacia aire y de flujo cruzado, en donde los fluidos (el

aire y el agua) no se mezclan. (Ver Fig. 43).

El modelo matemático se fundamenta en caracterizar el intercambiador y evaluar que tan

eficiente es para el enfriamiento del líquido (agua) en el tanque de agua fría (TK-100) de

la planta; para tal fin se instalaron sensores de temperatura (termistores NTC de 50 KΩ)

a la entrada y salida del intercambiador.

Para esto se debe encontrar el coeficiente de transferencia de calor U con base en el

área de superficie interior de los tubos.

Fig. 43 Intercambiador de Calor (Radiador) [Fuente el Autor]

Para realizar el experimento de identificación de las características del intercambiador,

se deben realizar mediciones de temperatura de entrada y salida de agua; temperaturas

de entrada y salida del aire; y calcular la razón de agua y de aire que ingresa al radiador.

68

Para realizar las mediciones de temperatura del aire se utilizo un instrumento para medir

humedad relativa y temperatura marca “AMPROBE TH1” (Ver Fig. 44) disponible en el

Laboratorio de Física de la Universidad Distrital FJC – Facultad Tecnológica.

Fig. 44 TH-1 Relative Humidity / Temperature Probe Style Meter

En la Tabla 16 se presentan las especificaciones del instrumento [33]

Tabla 16 Especificaciones Instrumento AMPROBE TH-1

Para realizar las mediciones de la velocidad del aire se utilizo un instrumento para medir

viento (anemómetro) marca “ADC Wind SILVA” (Ver Fig. 45) disponible en el Laboratorio

de Física de la Universidad Distrital FJC – Facultad Tecnológica.

Fig. 45 Instrumento para medir velocidad del viento

69

En la Tabla 17 se presentan las especificaciones del instrumento.[34]

Tabla 17 Especificaciones anemómetro

Sensor ADC Wind SILVA

Wind Measuring Range

0,3 to 40 m/s Resolution: 0,1 m/s

Units: m/s, km/h, mph, knots, ft/s

Temperature Measuring Range

-20 ºC to +40 ºC Resolution: 0,1 degree

Units: Celsius, Fahrenheit

Wind Chill Is measured from 12 ºC degrees and colder

Dimensions 109x50x20 mm

Weight 70 gr including battery and strap

Se realizan las siguientes suposiciones:

1. Existen condiciones estacionarias de operación.

2. Los cambios en las energías cinéticas y potenciales de las corrientes de los fluidos

son despreciables.

3. Las propiedades de los fluidos son constantes.

En la Fig. 46 y Fig. 47 se presentan algunas imágenes referentes a la medición de la

temperatura de entrada y salida del intercambiador activando el ventilador. Se tomaron

5 mediciones y luego se promediaron los datos de temperatura.

Fig. 46 Registro de temperatura del aire a la entrada del radiador

[Fuente el Autor]

Fig. 47 Registro de temperatura del aire a la salida del radiador [Fuente el Autor]

70

En la Fig. 48 y Fig. 49 se presentan algunas imágenes referentes a la medición de la

velocidad del viento en la entrada y salida del intercambiador de calor activando el

ventilador. Se tomaron 5 mediciones y luego se promediaron los datos de velocidad del

viento.

Fig. 48 Registro de velocidad del aire a la entrada del radiador [Fuente el Autor]

Fig. 49 Registro de velocidad del aire a la salida del radiador [Fuente el Autor]

En la Tabla 18 se muestran los datos obtenidos del intercambiador.

Tabla 18 Resultados de caracterización del intercambiador de calor

DATOS

Número de tubos n 39

Diámetro interno tubos iD 0,0046 m

Longitud de los tubos L 0,355 m

i nT del agua 38,7 ºC

outT del agua 36,7 ºC

71

i nT del aire 22,2 ºC

outT del aire 29,7 ºC

Razón de agua que ingresa al

intercambiador hm

0,24 L

seg

Razón de agua que ingresa al

intercambiador hm

0,23976 Kg

seg

Razón de aire que ingresa al

intercambiador cm

0,223 Kg

seg

Calor especifico del agua a 37,4 ºC

phC

4178 ºC

J

Kg

Calor especifico del aire a 25 ºC

pcC

1007 ºC

J

Kg

La razón de la transferencia de calor del agua caliente hacia el aire se determina con

base en un balance de energía sobre el flujo de agua:

ph i n outa ua

hg

Q m C T T

(47)

Se reemplaza los valores de la Tabla 18 en (47)

0,23976 4178 38,7ºC 36,7ºC 2003,4 4ºC

3J

K

KQ

g

gW

seg

(48)

El área de transferencia de calor del lado de los tubos es el área superficial total de éstos

y se determina a partir de (49)

s iA n D L (49)

Se reemplaza los datos en (49) así

239 0,0046 0,355 0,2s iA n D L m m m (50)

Conociendo la razón de la transferencia de calor y el área superficial, el coeficiente de

transferencia de calor total se puede despejar de (51)

,s ml CFQ U A F T

(51)

72

,s ml C F

QU

A F T

(52)

En donde F es el factor de corrección y, ,ml CFT es la diferencia media logarítmica de

temperatura para la disposición a contraflujo. Se encuentra que estas dos cantidades

son

1 , , 38,7ºC 29,7º 9 ºh ent c salT T T C C (53)

2 , , 36,7ºC 22,2º 14,5 ºh sal c entT T T C C (54)

Ahora se halla ,ml CFT

1 2

,

1

2

9 14,511,5322 º

9lnln

14,5

ml C F

T TT C

T

T

(55)

Luego se halla P y R

2 1

1 1

36,7 38,70,12

22,2 38,7

t tP

T t

(56)

1 2

2 1

22,2 29,73,75

36,7 38,7

T TR

t t

(57)

Relacionando los valores de P y R hallados en (56) y (57) respectivamente, se halla el

factor de corrección (F=0,95) de acuerdo al tipo de intercambiador de calor (radiador)

con un solo pasó con los fluidos de flujo no cruzado [9] (Ver Fig. 50)

Fig. 50 Factor de corrección para el radiador [Fuente el Autor]

73

Finalmente se sustituye los valores de sA ,

,ml CFT y Q

en (52) y de esta manera se

determina el coeficiente de transferencia de calor total.

22

,

2003,434914,3435

º0,2 0,95 11,5322 ºs ml C F

Q W WU

A F T m Cm C

(58)

6.3.4.1 Cálculo de la eficiencia del intercambiador - Método NTU

Las razones de capacidad calorífica de los fluidos caliente y frío se determinan a partir

de las ecuaciones (14) y (15) con los datos de valores específicos de la Tabla 18.

0,23976 4178 1001,7173ºC º

h phh

Kg J Wm C

s KC

g C

(59)

0,223 1007 224,561º ºC

c c pc

Kg J Wm C

s Kg CC

(60)

Por lo tanto él minC corresponde a la menor de las dos razones de capacidad calorífica

min 224,561

ºCcC C

W (61)

Las relaciones de eficiencia de los intercambiadores de calor incluyen el grupo

adimensional min

sU A

C . Esta cantidad se llama número de unidades de transferencia,

NTU (por sus siglas en inglés), y se expresa como:

s s

mi np mi n

U A U ANT

mC

C

U

(62)

En donde U es el coeficiente total de transferencia de calor y sA es el área superficial de

transferencia del intercambiador.

Nótese que el NTU es proporcional a sA . Por lo tanto, para valores específicos de U y

mi nC , el valor del NTU es una medida del área superficial de transferencia de calor s

A .

Por ende, entre mayor sea el NTU, más grande es el intercambiador de calor.

74

En el análisis de los intercambiadores de calor también resulta conveniente definir otra

cantidad adimensional llamada relación de capacidades caloríficas c

min

max

cc

c (63)

Se puede demostrar que la eficiencia de un intercambiador de calor es una función del

número de unidades de transferencia NTU y de la relación de capacidades c; es decir,

se reemplaza las ecuaciones (62) y (63) respectivamente

ºmin

max

224,561

1001,7173

WCc

cc

ºWC

0,224176

(64)

914,3435 W

s

mi n

U ANTU

C

2m ºC 20,2 m

º224,561W

C

0,81433 (65)

Para un intercambiador de flujo cruzado y de un solo paso con los fluidos no mezclados

la eficiencia se puede hallar mediante la siguiente ecuación [9]-[10]:

0,22

0,781 exp exp 1NTU

c NTUc

(66)

Se reemplaza los valores de c y NTU en (66)

0,22

0,780,814331 exp exp 0,224176 0,81433 1 0,5235

0,224176

(67)

La eficiencia es del 52,35% y se muestra en la Fig. 51.

75

Fig. 51 Eficiencia del radiador de automóvil [Fuente el Autor]

6.4 Experimento de identificación

Para hallar el modelo del sistema térmico se realizan los siguientes pasos que se

muestran en el organigrama de la Fig. 52.

1. Diseño experimento: Se usa una señal de entrada escalón o paso unitario, generada

desde la subrutina “Modo_Manual” en RSLogix5000 se activa por medio de la salida

digital “7” del PLC, el contacto “K7” que acciona un relé magnético conectado a la

resistencia térmica (HE 100), por medio del sensor RTD PT100 (TE 100) ubicado en el

tanque de suministro se observara la curva de reacción de proceso.

2. Selección de estructura: Se ingresan los datos de la curva de reacción de proceso

en el toolbox de identificación de MATLAB® (System Identification Toolbox), allí se

generan diferentes aproximaciones a arquitecturas de modelos continuos (primer orden,

segundo orden) y modelos discretos lineales (polinomios en ecuación en diferencias OE

(Output-Error), ARX (auto-regresivo con variable exógena), BJ (Box Jenkins), entre otros.

Se elegirá la estructura (modelo) que tenga un porcentaje alto de aproximación.

3. Cálculo de parametros: Después de escoger el modelo se describe la función de

transferencia que representa la respuesta dinámica del sistema térmico.

76

4. Validación: Se comprobara la respuesta del modelo hallado con el toolbox de

identificación con la respuesta de la curva de reacción de proceso experimental

(porcentaje de aproximación de los datos).

5. Modelo: Si la validación es correcta se representa la función de transferencia del

sistema térmico de la planta, si el porcentaje de aproximación no es el correcto se debe

iniciar el proceso en el paso 2 y seleccionar otra estructura de un modelo continuo o

discreto hasta encontrar los resultados deseados.

Fig. 52 Metodología de experimento de identificación

[Fuente el Autor]

Para realizar el experimento se debe garantizar un nivel de agua dentro del tanque de

suministro (TK-100) de 15 litros, para que el bulbo del sensor (TE 100) quede inmerso

en el fluido, luego se activa la salida digital del PLC “Local:2:O.Data.7” por medio de un

contacto “K7” que acciona un relé magnético conectado a la resistencia térmica (HE 100)

y se gráfica por medio del “Trend” de RSLogix5000 la evolución en el tiempo de la

temperatura dentro del tanque (Fig. 53).

77

Fig. 53 Curva de reacción de proceso planta en lazo abierto [Fuente el Autor]

Se importan los datos a MATLAB ® y a través del toolbox de identificación se generan

aproximaciones a modelos continuos y discretos, los cuales se muestran en la Fig. 54

Fig. 54 Identificación por System Identification Tool de MATLAB®

[Fuente el Autor]

78

Fig. 55 Porcentaje de aproximación modelos [Fuente el Autor]

Como se observa en la Fig. 55, se tienen buenas aproximaciones en los diferentes

modelos mayores a 76% pero la elección del mejor modelo se hace con base en el

porcentaje de aproximación y en el orden del polinomio.

Se elige el modelo continuo P1Z (Polinomio de primer orden con un cero), debido a que

describe con una aproximación del (93.94%) el comportamiento del sistema, suficiente

para representar la dinámica del sistema térmico, la función de transferencia de la planta

se expresa en (68)

209,4 0,1127

8164 1

sG s

s

(68)

En efecto, el aumento en la complejidad de los demás modelos no se ve reflejado en un

aumento significativo del porcentaje de aproximación a la respuesta del sistema, ejemplo

de esta situación es el modelo “bj33331” que solo tiene un porcentaje de aproximación

de 0,5% más que el modelo seleccionado.

6.4.1 Diseño del controlador PID por el lugar geométrico de las raíces

Por medio del comando sisotool de MATLAB® se realiza el diseño del controlador o

compensador para sistemas de una entrada y de una salida (sistemas SISO: Single Input

79

Single Output). De allí se puede elegir una gran variedad de arquitecturas como se

muestra en la Fig. 56

Fig. 56 Configuración de controladores en Sisotool de MATLAB®

La arquitectura mostrada en la “Configuration 1” cumple con la estructura planteada para

el controlador en lazo cerrado con un solo punto suma.

Se importa el modelo de la planta “P1Z” en sisotool de MATLAB® para realizar el diseño

del controlador PID teniendo en cuenta la respuesta transitoria del modelo de la planta

por el método de lugar geométrico de las raíces (LGR).

Los criterios de diseño se definen sobre el lugar de las raíces de la planta y se busca un

sobreimpulso menor al 20%, y un tiempo de estabilización menor a 10 minutos. Se

ingresan estos parámetros al editor del lugar de las raíces (LGR) y se demarca la zona

donde deben quedar los polos y los ceros de la planta (Ver Fig. 57) para satisfacer los

criterios de diseño del controlador.

Fig. 57 Lugar de las raíces de la planta en lazo cerrado

[Fuente el Autor]

80

El controlador PID diseñado consta de un (1) polo real, un (1) cero real y un (1) integrador.

Estas condiciones se agregaran al lugar de las raíces de la planta para realizar el diseño

de controlador, se modifica la ubicación de los polos y/o ceros observando la respuesta

al paso de nuestro sistema cumpliendo la zona de diseño planteada anteriormente.

El controlador diseñado se muestra en la pestaña “Compensator Editor” en donde se

observa que ha cambiado los valores de los polos y ceros, este modelo se exporta al

workspace de MATLAB®.

20,25904 2

1

2PI D

Cs

ss

s

s

(69)

Por medio del comando c2d de MATLAB® se discretiza el controlador [35] por el método

de invarianza al escalón (zoh):

El modelo del controlador discretizado es

20,25904 0,2642

1 0,3679PI D

zC z

z z

(70)

2

2

1002 1302,6 423,44

1,4729 0,4729PID

z zC

z zz

(71)

6.4.2 Implementación del controlador en el PLC

Para poder ejecutar el controlador se crea una rutina llamada “PID” en el lenguaje de

programación texto estructurado en RSLogix5000, en el cual se plantea la ecuación en

diferencias del controlador PID (Ver Fig. 58), con los valores de Kp=110.5125,

Ki=0.000864, Kd=0.0011525, y el tiempo de muestreo de 1 segundo.

81

Fig. 58 Controlador PID implementado en ecuación en diferencias [Fuente el Autor]

6.4.3 Resultados controlador PID

Para comprobar el funcionamiento del controlador PID, la condición inicial del sistema es

que el agua presente en el tanque de suministro (TK-100) está a una temperatura mayor

a la temperatura ambiente ya que el objetivo del proyecto es hacer un controlador de

temperatura para enfriar el líquido presente en el interior del tanque.

Por medio del intercambiador de calor (radiador) se hace recircular agua a través del

tanque; la acción de control es transmitida desde el PLC al variador de velocidad que a

su vez controla el flujo de salida de la bomba, y así permitir enfriar el líquido al valor de

temperatura o set point (SP) que ingrese el usuario en la HMI o el PLC. La variable de

proceso (PV) es el sensor RTD PT100 que esta al interior del tanque y registrara la

temperatura.

A continuación se presentan algunas gráficas de respuesta del sistema.

82

Fig. 59 Variable de proceso inicial (40 ºC) vs Set Point (33 ºC) [Fuente el Autor]

En la Fig. 59 se observa la repuesta del controlador y se evalúan los índices de

desempeño: Máximo sobreimpulso (Mp) y el tiempo de estabilización (tss) al criterio del

5% de la señal de referencia.

máx

% Mp 100%ambi ent e

PV SP

SP T

(72)

32,5ºC 33ºC

% Mp 6,25%33ºC 25ºC

(73)

9 minutos y 35 segundossst (74)

Fig. 60 Variable de proceso inicial (45 ºC) vs Set Point (38 ºC) [Fuente el Autor]

37,7ºC 38ºC

% Mp 2,3%38ºC 25ºC

(75)

2 minutos y 49 segundossst (76)

83

6.5 Arquitectura del sistema SCADA

El sistema SCADA utiliza una red de comunicación industrial para realizar el control

automático de un proceso, la arquitectura del sistema está compuesta de cuatro

elementos los cuales son:

1. La interfase: Permite la elaboración de las pantallas de usuario con múltiples

combinaciones de imágenes y textos sobre el sistema.

2. Las gráficas: Permiten representar la evolución en el tiempo de las variables que

intervienen en el sistema.

3. Las alarmas: Consiste en la vigilancia de parámetros de variables del sistema cuando

están en un valor no deseado que puede generar inconvenientes de funcionamiento en

el proceso, están dirigidas al operario del proceso.

4. Control / Supervisión: El sistema de control que lleva una variable del proceso a un

nivel deseado por el usuario.

Fig. 61 Diagrama de bloques general de un sistema SCADA

[Fuente el Autor]

La arquitectura del Sistema SCADA está conformada por la adquisición de datos por

medio del módulo análogo 1769-IF4 del sensor (RTD PT100) conectado con el PLC

CompactLogix L23E-QB1B en donde se realiza la acción de control PID implementado

mediante una ecuación en diferencias y se programan en texto estructurado las alarmas

de nivel bajo y alto del tanque; el PLC envía la señal de control a través del variador de

84

velocidad PowerFlex40 y la transmite a la bomba que genera un flujo de agua por el

intercambiador de calor hacia el tanque de agua Fría (TK-100).

El sistema de comunicación está dado por una red industrial Ethernet IP la cual enlaza

el PLC, la pantalla HMI, el variador de velocidad y la estación de programación (PC). (Ver

Fig. 62)

Fig. 62 Arquitectura sistema SCADA tanque agua fría de la PPA

[Fuente el Autor]

6.5.1 Creación de la red Ethernet

6.5.1.1 Configuración del computador

Para poder crear la red se debe tener instalados los siguientes programas de Rockwell

Automation en un computador:

RSLogix 5000

RSLinx Enterprise

RSLinx Classic

Factory Talk View Site Edition

La red de comunicación es una red industrial Ethernet IP en topología tipo estrella (Ver

Fig. 63).

85

Fig. 63 Red de comunicación Ethernet de la planta [Fuente el Autor]

Lo primero que se debe tener en cuenta son las direcciones IP’s que tendrán los equipos

en la red de comunicación. (Ver Tabla 19)

Tabla 19 Orden de las IPs en la red Ethernet [Fuente el Autor]

ASIGNACIÓN DE IP’s

Computador 130.130.130.200

PLC CompactLogix L23E-QB1B 130.130.130.81

Variador PowerFlex40 130.130.130.90

Pantalla HMI 130.130.130.70

Luego se realiza la configuración de la IP en el computador siguiendo estas

instrucciones:

1. Inicio Panel de Control

86

Fig. 64 Paso 1. Abrir el panel de control [Fuente el Autor]

2. Seleccionar Redes e Internet

Fig. 65 Paso 2. Seleccionar redes e internet [Fuente el Autor]

3. Abrir el Centro de redes y recursos compartidos

Fig. 66 Paso 3. Abrir el centro de redes y recursos compartidos [Fuente el Autor]

87

4. Seleccionar cambiar configuración del adaptador.

Fig. 67 Paso 4. Cambiar la configuración del adaptador de red [Fuente el Autor]

5. En conexión de área local Clic derecho Propiedades

Fig. 68 Paso 5. Configuración de red de área local [Fuente el Autor]

6. Seleccionar Protocolo de internet versión 4 (TCP/IPv4)Clic derechoPropiedades

Fig. 69 Paso 6. Selección Protocolo de Internet TCP/IP [Fuente el Autor]

88

7. Se ingresa la dirección IP del computador 130.130.130.200 y la máscara de subred

255.255.255.0

Fig. 70 Paso 7. Asignación de dirección IP del computador [Fuente el Autor]

6.5.1.2 Configuración de RSLinx Classic

Ubicar y abrir el programa RSLinx Classic para agregar a la red el PLC, la pantalla HMI

y el variador de velocidad [36].

Abierto el programa se elige “Communications” “Configure Drivers…” como se

muestra en la Fig. 71

Fig. 71 Pantalla inicial de RSLinx para configurar las IP’s de la red

[Fuente el Autor]

89

En la lista desplegable “Available Driver Types” se elige “Ethernet devices”.

En “Configured Drivers” se colocara el nombre de la red “AB_ETH-1”.

Fig. 72 Red Ethernet creada en RSLinx

[Fuente el Autor]

6.5.1.3 Configuración IP del computador

Se asigna la dirección IP del computador 130.130.130.81 a la red ethernet creada en

RSLinx.

Fig. 73 Asignación de dirección IP para el computador en RSLinx [Fuente el Autor]

6.5.1.4 Configuración IP de la HMI

Para poder leer y/o escribir las variables del PLC en la pantalla HMI Allen Bradley [21],

se debe agregar en la red ethernet creada en RSLinx la dirección IP de la pantalla

130.130.130.70 [37].

Fig. 74 Asignación de dirección IP para la HMI

[Fuente el Autor]

90

6.5.1.5 Configuración IP del PLC

Se asigna la dirección IP del PLC 130.130.130.81 a la red ethernet creada, para poder

leer y escribir las variables del PLC hacia la HMI y/o el variador de velocidad.

Fig. 75 Asignación de dirección IP para el PLC

[Fuente el Autor]

6.5.1.6 Configuración IP del variador

La planta cuenta con un PLC CompactLogix 1769-L23E-QB1B [16] y un variador

PowerFlex40 [17] los cuales se configuran en la red ethernet [38] para poder enviar la

señal de control al actuador (bomba).

Fig. 76 Asignación de dirección IP para el variador de velocidad [Fuente el Autor]

Por último se presenta la red ethernet creada para el proyecto.

Fig. 77 Red de comunicación ethernet en RSLinx de la planta

[Fuente el Autor]

91

6.5.1.7. Configuración del variador en RSLogix5000

Para la asignación de la IP dentro del programa RSLogix5000 se siguen los siguientes

pasos:

El variador cuenta con una tarjeta de comunicación 22-COMM-E, esta tarjeta tiene

asociada una MAC ID en el caso del variador es 00:1D:9C:B1:E7: AE.

La IP 130.130.130.90 será direccionada a la tarjeta de red del variador, configurándose

por medio del programa “BOOTP/DHCP”.

En la barra de herramientas se ubica “tools” seguido de “network settings” se configura

la máscara de subred y se da clic en “ok”. Luego de esto se elige la MAC del módulo de

comunicación del variador.

Fig. 78 Selección de la MAC del módulo de comunicación del variador de velocidad

[Fuente el Autor]

Después se procede a dar clic en el botón “Add Relational List”, en el cuadro de la

dirección IP se configura una IP fija para el variador, luego de esto se da clic en “ok”.

Fig. 79 Configuración IP variador PowerFlex40 en el programa “BOOTP/DHCP” [Fuente el Autor]

92

Se debe tener en cuenta que para que esta configuración quede fija se debe dar clic en

“Disable BOOTP/DHCP”. Deshabilitando en “BOOTP/DHCP” se logra que cada vez que

se prenda la planta el variador no emita una petición BOOTP y tome siempre la IP fija

130.130.130.90.

Luego se continúa agregando el dispositivo (variador) al proyecto de RSLogix5000, se

debe ubicar la tarjeta ethernet del PLC y se agrega un nuevo módulo. Aparece una lista

que contiene diversos módulos, dentro de drivers se debe buscar y seleccionar

PowerFlex 40-E, se valida dando clic en el botón “ok”.

Fig. 80 Selección variador PowerFlex40 en RSLogix5000 [Fuente el Autor]

Ahora se coloca el nombre al variador y la dirección IP, se ingresa a Series por medio

del botón “Change”.

Fig. 81 Configuración dirección IP del variador en RSLogix5000 [Fuente el Autor]

93

Aparecerá una ventana emergente llamada “Module Definition” en Electronic Keying, se

elige la opción “Disable Keying” y luego en “Match Drive”. En la siguiente ventana

emergente se debe dar clic en “Partial”. Saldrá una nueva ventana y aparecerá el

variador, se debe seleccionar y luego se da en el botón “ok”. Al dar ok se crea

automáticamente los archivos de las bases de datos y aparecerá un cuadro de diálogo

donde informa que terminó la operación exitosamente. Ahora se debe deseleccionar

“Use Unicast Connection over EtherNet/IP” y dar clic en “ok”.

Fig. 82 Desactivar “Unicast Connection Over EtherNet/IP” [Fuente el Autor]

Se debe guardar, descargar y poner modo “Run” el proyecto. Luego se debe dar clic

derecho en PowerFlex40 en “Properties”

Luego clic en la pestaña “Drive” y se selecciona “Connect to Drive” y se hace clic en “ok”.

En el cuadro de dialogo que aparece se debe descargar el driver del variador lo cual hará

que se descargue la base de datos de los parámetros del variador.

Fig. 83 Conectar el variador por medio del software RSLogix5000 [Fuente el Autor]

94

Al finalizar la descarga se observa que drive cambia a estado de conexión “Connected”.

(Ver Fig. 84).

Fig. 84 Configuración final del variador de velocidad

[Fuente el Autor]

6.5.1.8 Configuración del módulo análogo en RSLogix5000

Después de la creación un proyecto en RSLogix, se debe ubicar “Controller Organizer”

la carpeta “I/O Configuration”, se desplegará un árbol en el que se encuentra

“CompactBus Local” luego “Embedded I/O” y una carpeta “Expansión I/O”, se debe hacer

clic derecho y “New Module”. (Ver Fig. 85)

Fig. 85 Agregar modulo análogo al proyecto en RSLogix5000 [Fuente el Autor]

95

En la ventana New Module se ubica el módulo de entradas análogas cuya referencia es

Compact I/O module 1769-IF4 [18] y validando con un “ok” se nombrara el modulo y se

ingresa a “Configuration”. (Ver Fig. 86)

Fig. 86 Selección del módulo análogo 1769-IF4 [Fuente el Autor]

Como el sensor de temperatura (RTD PT100) esta cableado en el canal 3 se selecciona

esta entrada, se elige en que rango y que unidades de salida opera el sensor, para este

caso se selecciona el rango de 4-20mA. (Ver Fig. 87)

Para los dos sensores de temperatura (Termistores NTC) están cableados en el canal 0

y 1 respectivamente, el rango de configuración para el módulo análogo es de 0-10 VDC.

(Ver Fig. 87)

Fig. 87 Configuración módulo análogo [Fuente el Autor]

96

Para los sensores de temperatura (RTD PT100 y termistores) se crearon varias tareas

(Tasks) en RSLogix 5000 [39], debido a que el tiempo de respuesta de la RTD es de

100ms y de los termistores es de 50ms.

En el programa se debe configurar las tareas periódicas para que ejecuten la lectura de

los sensores en dicho tiempo. En las tareas de la lectura de los sensores se debe mover

las señales provenientes de cada uno de los canales del módulo análogo (Canal 0,1 y 3)

y se guardan en variables de tipo “DINT” correspondiente a cada sensor. Por último se

ingresa la ecuación característica de cada sensor en subrutinas diferentes.

6.6 Códigos realizados en RSLogix5000

La programación realizada en RSLogix5000 se realizó bajo el estándar IEC 61131-3

usando algunos de los lenguajes de programación definidos en la norma. [40]

Esta estándar trata de los lenguajes de programación y define los estándares de

lenguajes gráficos y lenguajes textuales para el PLC:

Lenguaje escalera (LD - Ladder Diagram), gráfico.

Diagrama de bloque de funciones (FBD - Function Block Diagram), gráfico.

Texto estructurado (ST - Structured Text), textual.

Lista de instrucciones (IL - Instruction List), textual.

Bloques de función secuenciales (SFC - Sequential Function Chart), con

elementos para organizar programas de computación paralela y secuencial.

6.6.1 Lectura de los datos de los sensores

Se programaron dos tareas periódicas: Una tarea para el sensor de temperatura RTD y

otra tarea para los sensores de temperatura termistores (Ver Fig. 88)

97

Fig. 88 Tareas periódicas para la lectura de los sensores de temperatura [Fuente el Autor]

En la tarea “PT100” se realiza la lectura de la RTD, se cuenta con dos rutinas, una

destinada para leer el canal análogo cada 100ms en el cual se encuentra cableado el

sensor (“Lectura_canal_3”) ; y otra rutina que realiza un procesamiento al dato capturado

por el sensor y la implementación de la ecuación linealizada del sensor

(“Ecuación_RTD”). Ver Fig. 89 y Fig. 90 respectivamente.

Fig. 89 Programación en Ladder de lectura del módulo análogo RTD [Fuente el Autor]

Fig. 90 Programación en texto estructurado para linealización sensor PT100 [Fuente el Autor]

98

En la tarea “Termistores” se realiza la lectura de los dos termistores de tipo NTC y se

cuenta con dos rutinas, una destinada para los canales análogos 0 y 1 cada 50ms en el

cual se encuentra cableados los elementos primarios (“Lectura_canal_0_1”) y otra rutina

que realiza un procesamiento a los datos capturado por los sensores y la implementación

de las ecuaciones de linealización (“Ecuación_NTC”). Ver Fig. 91 y Fig. 92

respectivamente.

Fig. 91 Programación en Ladder de lectura de módulo análogo para los termistores [Fuente el Autor]

Fig. 92 Programación en texto estructurado para la linealización de los termistores [Fuente el Autor]

En la tarea principal “Main Task” se creó un programa principal llamado “Main Program”,

allí se encuentran las subrutinas que componen la programación en RSLogix5000. (Ver

Fig. 93).

99

Fig. 93 Rutinas creadas en el programa principal

[Fuente el Autor]

6.6.2 Subrutinas

Algunas subrutinas son llamadas del programa principal llamado “MainRoutine”, el cual

permite por medio de una programación en Ladder acceder o no a algunas rutinas que

componen el sistema.

Fig. 94 Llamado subrutinas en Ladder del “Main Routine” [Fuente el Autor]

6.6.2.1 Inicializar Variables

Esta subrutina permite inicializar el estado de las variables que intervienen en todo el

proceso y que son compartidas en algunas rutinas del proyecto. (Ver Fig. 95).

100

Fig. 95 Subrutina inicializar variables en texto estructurado [Fuente el Autor]

6.6.2.2 Select

Esta subrutina hace un llamado a la rutina “Inicializar Variables” por medio de un grafcet

(Ver Fig. 96) que permite al usuario discriminar el funcionamiento de las rutinas de “modo

manual” y la “rutina PID” ya que poseen variables compartidas; admite de manera

secuencial y paralela acceder a una subrutina a la vez desde botones dispuestos en la

pantalla HMI.

Fig. 96 Subrutina de acceso a rutina manual o rutina PID en grafcet [Fuente el Autor]

101

6.6.2.3 Modo Manual

En esta subrutina el usuario puede activar o desactivar algunos componentes de la

planta, entre los actuadores tenemos (la resistencia térmica, electroválvulas, el variador

de velocidad) y objetos de señalización (balizas). En la Fig. 97 se puede ver la

representación en Ladder de la subrutina que puede activarse desde el PLC o desde

botones dispuestos en una interfaz de la pantalla HMI.

Fig. 97 Subrutina Modo Manual en Ladder

[Fuente el Autor]

6.6.2.4 Alarmas

El tanque de suministro (TK-100) cuenta con sensores de nivel digitales instalados en el

nivel bajo y el nivel alto, se realiza el código en texto estructurado manejando la siguiente

lógica booleana, ver Tabla 20 y Fig. 98 respectivamente.

Tabla 20 Lógica de estados de alarma para el tanque de suministro [Fuente el Autor]

Tanque de Suministro

Nivel Bajo Nivel Alto Alarma Alto Alarma Bajo 0 0 0 1

0 1 0 0

1 0 0 0

1 1 1 0

102

Fig. 98 Subrutina de alamas en texto estructurado para el tanque de suministro [Fuente el Autor]

6.6.2.5 Control On-Off

Por medio de las alarmas predefinidas en el tanque de suministro, se generó una

subrutina para realizar el control de nivel máximo del tanque de agua fría, es decir si por

alguna razón durante el proceso la alarma de nivel alto es activada “1” lógico por el

sensor de nivel tipo interruptor (LAH 100), automáticamente se genera un comando hacia

el variador de velocidad para que disminuya su velocidad a cero.

También se generó la condición de nivel bajo del sensor (LAL 100) para que si se activa

la alarma de nivel bajo “0” lógico, significa que no hay suficiente nivel de agua en el

tanque de suministro y automáticamente envía la señal de control al variador de

velocidad para que disminuya su velocidad a cero.

Fig. 99 Subrutina Control On-Off [Fuente el Autor]

103

6.6.2.6 Resultado Control On-Off

A continuación se presenta el estado de las variables involucradas en la alarma de nivel

máximo del tanque de suministro de la planta, en la Fig. 100 se observan las variables

“Alarma_L_H” vs “PowerFlex_40:O.FreqCommand”.

Fig. 100 Implementación Controlador On-Off

[Fuente el Autor]

6.7 Diseño de interfaz gráfica de usuario

La tarea de mantener informado al operador de lo que está aconteciendo en su

instalación ha sido cada vez más fácil de plasmar físicamente, ya no basta colocar un

indicador, a veces es necesario colocar una imagen de conjunto para saber el progreso

del proceso. Por ello, la interfase HMI (Human Machine Interface, Interfaz Hombre-

Máquina) se ha centrado principalmente en la interacción entre el operario y la máquina.

Algunas reglas de oro deben tenerse en cuenta a la hora del diseño de interfaces [41]:

Dar control al usuario.

Reducir la carga de memoria del usuario.

Consistencia.

Regla 1: Dar control al usuario:

El diseñador debe dar al usuario la posibilidad de hacer su trabajo, en lugar de suponer

qué es lo que éste desea hacer. La interfaz debe ser suficientemente flexible para

adaptarse a las exigencias de los distintos usuarios del programa.

Regla 2: Reducir la carga de memoria del usuario

La interfaz debe evitar que el usuario tenga que almacenar y recordar información.

104

Regla 3: Consistencia

Permite al usuario utilizar conocimiento adquirido en otros programas. Ejemplo: mostrar

siempre el mismo mensaje ante un mismo tipo de situación, aunque se produzca en

distintos lugares.

Para realizar la interfaz gráfica en pantallas de visualización se deben tener en cuenta el

estado de los actuadores (motores, válvulas, equipos de señalización, sensores de nivel

etc.), cambio de estado de “On” y “Off” por medio de colores que permitan al usuario

identificar eventos, alarmas según normas internacionales como el estándar ANSI/ISA-

101.01-2015 [42] y el estándar ISA-S5.5-1985[43]. Para las distintas señales que

interactúan en la planta se utiliza la siguiente tabla de colores según su estado:

Tabla 21 Colores de estado utilizados para la programación HMI

La norma ISO 9241 y EN 29241 [44] trata del diseño ergonómico de programas para

equipos con pantallas de visualización de datos (“Ergonomics requirements of visual

display terminals (VDT’s) used for office Tasks”), la aplicación debe estar adaptada a las

distintas tareas que requiera el usuario, debe informar el progreso de manera

comprensible , debe ser clara y sencilla de utilizar, el uso de tendencias y de los colores

son de complemento informativo, las pantallas de una misma categoría deben tener el

mismo color de fondo, los caracteres de la pantalla deben estar bien definidos y claros

para que cualquier persona comprenda su significado y relacione acciones del proceso

con la interfaz.

105

6.8 FactoryTalk View

FactoryTalk View (FTV) [45] es el software de Rockwell para diseñar aplicaciones en

pantallas HMI, tiene la ventaja de crear compatibilidad directa con dispositivos ethernet

lo cual hace más simple la conexión con el PLC.

Se crea un archivo nuevo en FactoryTalk View luego el programa se abrirá y se dará

doble clic en “Project Settings” con el fin de configurar la ventana de diseño al tamaño de

la pantalla. La resolución que posee la HMI es de 400/600 (320x240).

A través de la red ethernet se pueden enlazar las variables del PLC con objetos, figuras,

cajas de texto, botones, tendencias, etc.; de las distintas pantallas de visualización

creadas en la HMI.

Fig. 101 Ejemplo del enlace de variables del PLC y objetos de la pantalla HMI [Fuente el Autor]

6.8.1 Alarmas en FactoryTalk View

Para configurar las alarmas visuales en la Interfaz HMI se debe tener en cuenta el

estándar ANSI/ISA–S18.1–1979 (R1992) [46]; únicamente basta con relacionar las

variables “Alarma_L_H” y “Alarma_L_L” provenientes de los sensores de nivel digitales

conectados a dos entradas digitales del PLC, y dichas variables serán monitoreadas en

la pantalla HMI por el usuario. A continuación se presenta una serie de pasos para

enlazar las variables y publicar el mensaje en la pantalla.

106

Para ello se debe configurar las alarmas en el “Explorer” del proyecto y se debe elegir

“Alarms” “Alarm Setup” en FactoryTalk View. (Ver Fig. 102).

Fig. 102 Configuración de alarmas [Fuente el Autor]

Luego en las pestaña “Triggers” se debe seleccionar “Add…” y en Tag se enlazan las

variables entre el PLC y la pantalla HMI que se usaran como variabels de activación de

las alarmas.

Fig. 103 Selección de variables de activación de alarmas desde el PLC [Fuente el Autor]

Con las variables seleccionadas en la pestaña “Message” se coloca el mensaje que se

quiere ver en la pantalla, para este caso se generan dos mensajes: uno para el nivel alto

y el otro para el nivel bajo del tanque de suministro. (Ver Fig. 104 y Fig. 105)

respectivamente.

107

Fig. 104 Mensaje alarma de nivel bajo [Fuente el Autor]

Fig. 105 Mensaje alarma de nivel alto [Fuente el Autor]

Para dejar configuradas las alarmas en la pestaña “Messages” se encuentra la columna

“Trigger value” se le asigna un “1” para que la variable cambie de estado y se activa

“Display” para que envíe el mensaje a la pantalla.

108

Fig. 106 Configuración valor del Trigger para las alarmas [Fuente el Autor]

Por último se muestra como se ven las alarmas en la pantalla HMI:

Fig. 107 Alarma de nivel alto tanque de suministro [Fuente el Autor]

Fig. 108 Alarma de nivel bajo tanque de suministro [Fuente el Autor]

6.8.2 Pantallas en FactoryTalk View

Para crear las distintas pantallas de la HMI, se utiliza la librería “Symbol Factory” que

contiene imágenes de elementos que se usan a nivel industrial como (sensores, botones,

tanques, actuadores, flechas, tuberías, válvulas, etc.); a continuación en “Displays” se

109

crean las distintas pantallas con las que el usuario podrá interactuar y se asocian las

variables del PLC con los objetos. (Ver Fig. 109).

Fig. 109 Pantallas creadas en la HMI [Fuente el Autor]

6.8.3 Descripción de las ventanas

6.8.3.1 Ventana Principal: Se encuentra el nombre del proyecto, el nombre de los

autores del mismo y el nombré de la Universidad; además se tienen 4 botones de acceso

descritos así: (Ver Fig. 110)

Enfriamiento: Permite visualizar el tanque en el cual se va a realizar el control de

temperatura con sus elementos primarios y el registro de la variables.

110

PID: El usuario puede acceder a la ventana donde se realizara el control de

temperatura, podrá ingresar el Set Point y obtener la tendencia de las señales que

intervienen en el proceso de temperatura.

Manual: Donde el usuario accederá a una representación de la planta donde

podrá accionar algunos elementos de forma manual como (activar la baliza,

activar la resistencia, activar válvulas solenoides, activar el radiador, programar el

variador de velocidad).

Apagar: Este botón permite cerrar y apagar la aplicación actual y poder cargar

otra interfaz que esta almacenada en la pantalla HMI.

Fig. 110 Pantalla principal interfaz HMI [Fuente el Autor]

6.8.3.2 Ventana Tanque de Suministro: Se ingresa a través del botón de “Enfriamiento”

de la pantalla principal, aquí se muestra el registro en grados centígrados (ºC), de los

sensores de temperatura que están instalados dentro del tanque y fuera del tanque a la

entrada y salida del intercambiador de calor (radiador), además se visualizan alarmas

por los sensores de nivel bajo y alto que están instalados en el tanque; posee un botón

de “TREND” donde se visualiza la temperatura en (ºC) y corriente en (mA) del sensor

RTD PT100 a manera de tendencia; cuenta con un botón “BACK” para regresar a la

pantalla principal. (Ver Fig. 111)

111

Fig. 111 Tanque de suministro de la planta [Fuente el Autor]

6.8.3.3 Ventana Gráfica RTD: Se ingresa a través del botón de “TREND” de la ventana

tanque de suministro, aquí se muestra la tendencia del sensor RTD PT100 donde se

grafican las variables de Temperatura (ºC) y corriente (4-20mA), posee botones para

manipular la gráfica entre ellos tenemos (Next Pen, Move Left, Home, End, Move Right,

Pause, Move Up y Move down); cuenta con un botón “BACK” para regresar a la pantalla

anterior de tanque de suministro. (Ver Fig. 112)

Fig. 112 Pantalla de tendencia del sensor RTD

[Fuente el Autor]

6.8.3.4 Ventana PID: Se ingresa a través del botón “PID” de la pantalla principal, posee

un botón que activa la rutina “PID” del PLC, el usuario podrá ingresar el Set Point (SP)

de temperatura y visualizar en un gráfico de barras (bar gauge) y/o tendencia del estado

de las variables SP y Process Value (PV) que es la señal del sensor RTD ubicado en el

tanque de suministro; por ultimo cuenta con un botón “BACK” para regresar a la pantalla

principal. (Ver Fig. 113)

112

Fig. 113 Pantalla de respuesta del controlador PID

[Fuente el Autor]

6.8.3.5 Ventana PPA MANUAL: Se ingresa a través del botón “Manual” de la pantalla

principal, aquí se muestra un esquema general de los componentes que componen la

planta, posee un botón que activa la rutina en el PLC “Modo_Manual” y permite

interactuar a través de botones con algunos elementos como (el radiador, la resistencia

térmica (electrón), las válvulas solenoides, la baliza de señalización y configurar el

variador de velocidad); también se muestra el estado de los sensores de nivel bajo y alto

del tanque de suministro; cuenta con un botón “BACK” para regresar a la pantalla

principal. (Ver Fig. 114)

Fig. 114 Pantalla de manipulación manual de componentes de la PPA

[Fuente el Autor]

6.8.3.6 Ventana Variador: Se ingresa a través del botón de “PowerFlex40” de la ventana

“PPA MANUAL”, aquí se muestra los parámetros con los que se puede configurar el

variador de velocidad entre ellos tenemos (Start, Stop, Ingrese velocidad), también están

113

disponibles activar las válvulas solenoides que están ubicadas en el tanque de suministro

(EV1) y la válvula de salida del tanque de agua caliente (EV2) respectivamente para

permitir el flujo de líquido (Agua) hacia los tanques mencionados; finalmente cuenta con

un botón “BACK” para regresar a la pantalla “PPA MANUAL”. (Ver Fig. 115)

Fig. 115 Pantalla para cambiar parámetros del variador de velocidad

[Fuente el Autor]

114

7. Conclusiones

Los sensores industriales de temperatura permiten adaptación con facilidad a sistemas

de almacenamiento o procesamiento de líquidos, no obstante siempre se debe hacer un

estudio previo a la adquisición de los sensores donde se analice el tipo de conexión a

proceso, las señales de salida y sus características estáticas como (rango, sensibilidad,

repetibilidad, exactitud, tiempo de respuesta, etc.)

El variador de velocidad PowerFlex40, gracias al protocolo de comunicación industrial

Ethernet permite ahorrar costos en cableado y facilita al usuario la manipulación de sus

parámetros con tres comandos básicos (“Start”, “Stop” y “FreqCommand”) que son

enviados desde el PLC.

Al realizar el proceso de identificación con señal paso se pueden estimar modelos

cercanos a la dinámica del sistema y a partir de ellos diseñar algoritmos de control para

lograr controlar variables en un proceso térmico.

El Sistema SCADA permite al usuario manipulación bidireccional de datos en tiempo real

entre la pantalla HMI y el PLC, a través de elementos propios de la interfaz como botones,

objetos, tendencias, alarmas, etc.

Para aumentar la eficiencia del intercambiador de calor es imprescindible instalar

sensores de caudal y sensores de presión a la entrada y salida del radiador que permitirá

mejorar la aproximación de la identificación y a su vez tendrá en cuenta todas las

variables que afectan la eficiencia y transferencia de calor en el sistema.

El intercambiador de calor presenta un porcentaje de eficiencia relativamente bajo,

debido a la disposición geométrica, donde se presenta perdidas ya que no se concentra

el flujo másico frio en toda el área de convección del radiador. La falta de recursos

económicos provoca la implementación de un radiador usado, que induce en desgaste e

imperfecciones en su interior.

115

8. Recomendaciones

Implementar un sistema de refrigeración por compresión para mejorar el tiempo de

enfriamiento dentro del tanque de suministro, a su vez trabajar a temperaturas menores

a la temperatura ambiente.

Para futuros proyectos se debe diseñar e implementar un sistema de control MIMO

(“multiple-inputs, multiple-outputs) en el cual interactúen las variables de las etapas de

enfriamiento, calentamiento y mezcla de la planta y así se convierta en un proceso de

recetas o proceso batch.

Diseñar una base de datos en FactoryTalk View SE y Microsoft SQL Server, en donde

se podrá almacenar alarmas, eventos, registros y archivos de las distintas variables que

intervienen en la planta.

Para aumentar el rango de temperaturas que se pueden manejar dentro de las diferentes

etapas que componen la planta, se sugiere cambiar los tanques por otro material distinto

al acrílico como por ejemplo el acero inoxidable, ya que actualmente si se trabajan

temperaturas superiores a 60 ºC el acrílico presenta deformación o deterioro a largo

plazo.

116

9. Bibliografía

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[12] W. Y. Serna Quilindo, D. C. Vergara González, and J. F. Flórez Marulanda, “Procedimiento

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[13] E. A. Chacón R., I. V. Rondón M., K. R. Quintero G., and O. A. Rojas A., “Aplicación del

Estándar ISA88 en el Modelado del Proceso de Producción de Azúcar en un Central Azucarero,” Seventh LACCEI Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology. San Cristóbal (Venezuela), pp. 1–10, 2009.

[14] The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA), “ANSI/ISA-5.1-1984(R1992) :

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[15] The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA), “ISA-S5.3-1983 : Graphic

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[16] Rockwell Automation Inc., “1769 CompactLogix Packaged Controllers - Quick Start and

User Manual.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 249, 2009.

[17] Rockwell Automation Inc., “PowerFlex 40 Adjustable Frequency AC Drive FRN 1.xx - 3.xx

- User Manual.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 160, 2013.

[18] Rockwell Automation Inc., “Compact I/O Analog Modules - User Manual.” Milwaukee,

Wisconsin (USA), p. 184, 2005.

[19] IDEC Corporation, “PS5R-S Switching Power Supplies.” Osaka (Japón), p. 12, 2013.

[20] Rockwell Automation Inc., “Motor Protection Circuit Breakers.” Milwaukee, Wisconsin

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[21] Rockwell Automation Inc., “PanelView Plus 6 HMI Terminals - User Manual.” Milwaukee,

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[22] Rockwell Automation Inc., “Switched Mode Power Supply Specifications - Technical Data.”

Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 18, 2014.

[23] Rockwell Automation Inc., “Stratix Ethernet Switch Specifications - Technical Data.”


[24] National Electrical Manufacturers Association (NEMA), “NEMA ICS 6-1993 (R2001,

R2006): Industrial Control and Systems Enclosures.” Rosslyn, Virginia (USA), p. 24, 2001.

118

[25] International Electrotechnical Commission (IEC), “IEC 60751 : Industrial Platinum Resistance Thermometers and Platinum Temperature Sensors,” no. July. p. 20, 2008.

[26] H. Preston-Thomas, “ITS -90 : The International Temperature Scale of 1990,” Metrologia,

vol. 27, no. 1. Springer-Verlag 1990, pp. 3–10, 1990.

[27] The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA), “ANSI/ISA–S51.1–1979

(R1993) : Process Instrumentation Terminology,” American National Standard, no. 26 May 1955. p. 68, 1993.

[28] FLIR Systems Inc, FLIR Systems - Thermography Product Catalog 2012, no. November

22. 2012.

[29] G. Canavos, “Probabilidad Y Estadística - Aplicaciones Y Métodos.” McGraw-Hill, México

D.F., p. 668, 1988.

[30] R. E. Walpole, R. H. Myers, S. L. Myers, and K. Ye, Probabilidad y Estadística para

Ingeniería y Ciencias, 9th ed. México D.F.: PEARSON EDUCACIÓN, 2012.

[31] R. Quintero Camacho, “Método Para Linealizar La Salida De Un Sensor,” Revista

Ingeniería - Universidad Distrital Francisco José De Caldas, vol. 8, no. 1. pp. 82–85, 2003.

[32] K. Ogata, “Ingeniería De Control Moderna.” PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA, S.

A., México D.F., p. 1015, 1998.

[33] Amprobe® Tools, “TH-1 Relative Humidity / Temperature Probe Style Meter - Data Sheet.”

pp. 1–2, 2008.

[34] Silva Sweden AB, “ADC Wind - User Manual.” Sollentuna (Sweden), p. 39, 2010.

[35] K. Ogata, Sistemas De Control En Tiempo Discreto. México D.F.: PRENTICE-HALL

HISPANOAMERICANA, S. A., 1996.

[36] Rockwell Automation Inc., “Configuración de la red EtherNet/IP - Manual de Usuario.”


[37] Rockwell Automation Inc., “Sistemas de control Logix5000 : Conexión de un terminal

PanelView Plus Terminal mediante una red EtherNet / IP.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 56, 2012.

[38] Rockwell Automation Inc., “Sistemas de control Logix5000 : Conexión de variadores

PowerFlex 40 mediante una red EtherNet / IP.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 36, 2012.

119

[39] Rockwell Automation Inc., “Logix5000 Controllers Tasks , Programs , and Routines - Programming Manual.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 73, 2014.

[40] K. H. John and M. Tiegelkamp, “IEC 61131-3: Programming Industrial Automation

Systems,” Concepts and Programming Languages, Requirements for Programming Systems, Decision-Making Aids. Springer Berlin Heidelberg, p. 376, 2001.

[41] P. Rodríguez V., Diseño de Interfaces Hombre - Máquina (HMI). Valdivia (Chile).

[42] The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA), “ANSI/ISA–101.01-2015 :

Human Machine Interfaces for Process Automation Systems,” American National Standard, no. 9 July 2015, p. 64, 2015.

[43] The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA), “ISA-S5.5-1985 : Graphic

Symbols for Process Displays,” American National Standard, no. 3 February 1986. pp. 1–

48, 1985.

[44] A. Rodríguez Penin, “Sistemas SCADA.” MARCOMBO, S.A., Barcelona (España), p. 448,

2007.

[45] Rockwell Automation Inc., “FactoryTalk View Machine Edition and PanelView Plus –

Project Skills.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 155, 2012.

[46] The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA), “ANSI/ISA–S18.1–1979

(R1992) : Annunciator Sequences and Specifications,” American National Standard, no. 15 July 1992, p. 54, 1992.

120

10. Anexos

10.1 Manual de Prácticas de Laboratorio

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA - INGENIERÍA EN CONTROL

PRÁCTICA 1: Reconocimiento de la PPA

Objetivos:

Reconocer el diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID) de la planta.

Reconocer los elementos que componen el panel frontal de la planta.

Realizar el modelo físico de los componentes que integran la planta basados en

el estándar ISA88.

Materiales utilizados

Planta de procesos análogos (PPA)

Metodología

1. Por medio del diagrama P&ID de la planta, realizar una tabla en la que se describan

los elementos que allí se muestran, ser detallado en la descripción dando características,

dimensiones y funciones de cada elemento si es posible.

121

TAG ELEMENTO DESCRIPCIÒN

122

2. Analice el panel frontal de la planta y realice una tabla descriptiva de los elementos

que conforman el panel.

ELEMENTO DESCRIPCIÓN

123

3. Relacionando la información del diagrama PI&D elabore el modelo físico de la planta

que se propone el estándar ISA88 para jerarquizar los equipos de la planta en términos

de células, unidades, módulos de equipos y módulos de control.

124



PRÁCTICA 2: Características Estáticas En Una Medición

Objetivos:

Afianzar los conceptos de las características estáticas en una medición.

Entender la importancia de la instrumentación industrial en la medición de

variables en un sistema real.

Materiales utilizados:


Pinza amperimétrica

Metodología

1. Defina los siguientes conceptos:

1.1. Instrumentación industrial

1.2. Metrología

1.3. Error de linealidad

1.4. Rango

1.5. Zona muerta

125

1.6. Span

1.7. Histéresis

1.8. Sensibilidad

1.9. Repetibilidad

1.10. Error Sistemático

1.11. Error Bias

1.12. Varianza

1.13. Desviación Estándar

1.14. Exactitud

2. Respuesta del sensor RTD PT100

Para realizar la toma de datos del lazo de corriente (4-20mA) del sensor de temperatura

(PT100), coloque la pinza amperimétrica en el rango de miliamperios (mA) y conéctela

en el canal 3 del módulo análogo 1769-IF4 tal como se muestra en la figura, tabule los

datos en la tabla.

126

Corriente (mA) Temperatura (ºC)

3. Grafique la respuesta del sensor a partir de los datos obtenidos.

4. Lleve la temperatura del tanque de suministro a valores de 25,30,35,40,45 y 50 grados

celsius, compare el dato que se muestra en la pantalla HMI con el valor de la cámara

termográfica FLIR i7 (patrón), llene la tabla con el dato visualizado en la HMI.

No.

Valor Medido en grados centígrados (ºC)

25 30 35 40 45 50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

5. A partir de los datos obtenidos calcule (error sistemático, error bias, varianza,

desviación estándar y exactitud).

127

Puede usar una herramienta como Microsoft Excel® para facilidad en los cálculos

estadísticos de los datos, presente los resultados en la siguiente tabla.

Patrón [ºC] 25 30 35 40 45 50

Promedio

Error Sistemático

Error Bias

Varianza

Desviación Estándar

Exactitud

128



PRÁCTICA 3: Modelo Experimental

Objetivos:

Realizar experimentos de identificación con señal paso por medio de un programa

realizado en RSLogix5000 para obtener un modelo matemático aproximado del

sistema.

Obtener el modelo experimental del sistema térmico en la etapa de enfriamiento

de la planta.



Computador

Software RSLogix 5000

Software RSLinx Classic

Computador

Software MATLAB®

Para realizar el modelo experimental se debe familiarizar con la planta, analice el

diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID) antes de realizar el experimento.

129

Compare el diagrama P&ID con la planta de procesos análogos (PPA), se recomienda

verificar e identificar los elementos. Después de analizar toda la planta nos centraremos

en el funcionamiento de la planta en el tanque de suministro (TK-100).

1. Realice el modelo del sensor RTD PT100 y obtenga la ecuación característica.

2. Implemente la ecuación del sensor en el software RSLogix5000 por medio de cualquier

lenguaje de programación (Norma IEC61131-3).

3. Estimule con una señal paso el actuador resistencia térmica (HE 100), por medio de

la salida digital “7” del PLC.

3.1 Crear un “Trend” en RSlogix5000 donde se pueda visualizar la variable de

temperatura de la RTD.

130

3.2 Cuando observe que se estabilice la planta detenga el experimento e importe los

datos a MATLAB®.

4. Ejecute el comando Ident en el workspace de MATLAB®, para abrir el toolbox de

identificación de sistemas.

4.1 Evalúe diferentes arquitecturas de modelos paramétricos (primer orden, segundo

orden, etc.) a partir de la curva de reacción de proceso.

4.2 ¿Cuál es el modelo que selecciono y porque?

5. Realice un nuevo experimento donde utilice arquitectura de modelos discretos (ARX,

ARMAX, BJ, OE, etc.), compare con el modelo anterior y describa cual tiene mejor

aproximación a la planta.

131



PRÁCTICA 4: Diseño de un Controlador PID

Objetivos:

Diseñar e implementar un controlador PID



Computador

Software RSLogix 5000

Software RSLinx Classic

Software MATLAB®

1. ¿Cuántos polos y cuantos ceros tiene un PID en tiempo discreto?

2. Con el modelo seleccionado en el laboratorio 3 diseñe un controlador PID.

a) Cargue el modelo de la planta al toolbox Sisotool de MATLAB®,

132

b) Defina las condiciones de diseño (Máximo sobre impulso menor al 25% y

tiempo de estabilización menor a 10 minutos).

c) Obtenga la función de transferencia del controlador PID y el valor de ganancia

proporcional (Kp), la ganancia integral (Ki) y la ganancia derivativa (kd)

d) Implemente en una rutina en texto estructurado en RSLogix5000, la ecuación

en diferencias del PID e ingrese las constantes Kp. Ki y Kd.

e) Pruebe el controlador PID y grafique la respuesta del sistema.

f) Analice las gráficas de respuesta del controlador y calcule el máximo sobre

impulsó, tiempo de estabilización. ¿Se cumplieron las condiciones de diseño

del PID?

133

10.2 Cámara Termográfica FLIR i7

Para la calibración de los sensores de temperatura presentes en la etapa de enfriamiento

de la planta se usó la cámara termográfica de la serie-i7 de FLIR [28] (Ver Fig. 116), las

especificaciones y el certificado de calibración del instrumento dadas por el fabricante se

encuentran en Fig. 117 y la

Tabla 22 respectivamente.

Fig. 116 Cámara termográfica FLIR i7

Fig. 117 Certificado de calibración cámara termográfica FLIR i7

134

Tabla 22 Especificaciones cámara termográfica FLIR i7

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

Rango espectral 7,5 ... 13 µm

Resolución espacial (IFOV) 3,71 mRad

Frecuencia de imagen 9 Hz

Enfoque Fijo

Matriz de plano focal (FPA) Microbolómetro no refrigerado

Pantalla LCD de 2,8" a color

Rango de la temperatura del objeto -20 ... +250 °C

Precisión ±2 °C o ±2 % de lectura

Corrección del grado de emisión Variable de 0,1 a 1,0 seleccionada de una lista de materiales

Corrección de temperatura ambiental reflejada

Automática, en función de la entrada de temperatura reflejada

Gama de color Hierro, arco iris y blanco/negro

Controles de configuración Adaptación local de unidades, idioma, formatos de fecha y hora;

desconexión automática, intensidad de la pantalla

Tipo de tarjeta de almacenamiento Tarjeta mini SD

Formato Jpeg estándar, incluye 14 bit de datos de medición

Tipo de acumulador Acumulador ion-litio recargable

Duración del acumulador 5 horas, en la pantalla se indica el estado de la batería

Sistema de recarga En la cámara, adaptador de CA; 3 horas hasta

90 % de su capacidad

Alimentación por un componente de red

Adaptador de red, entrada 90 a 260 VAC

Administración de la energía Desconexión automática (a elección del usuario)

Tensión del adaptador Salida de 5 V DC

Rango de temperatura operativa 0 ... +50 °C

Temperatura de almacenamiento -40 ... +70 °C

Humedad del aire Funcionamiento y almacenado IEC 60068-2-30/24 h 95 % H.r.

Golpes 25 G (IEC 60068-2-29)

Oscilaciones 2 G (IEC 60068-2-6)

Tipo de protección de la carcasa Carcasa y objetivo: IP 43

Dimensiones 223 x 79 x 85 mm

Peso 365 g con acumulador

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