Instrumentación II

Informe de Prácticas

Por

Arismendi Daniel

Arroyo Jiang

Cóndor Claudio

Fernández Breytner

Ortega Heyzel

Profesor: Mario Spinetti

Febrero 2015

CONTROL PROPORCIONAL DE NIVEL DEL TANQUE ABIERTO MEDIANTE UN PLC

Resumen: Se implementa un controlador proporcional discreto sobre un sistema de tanques. Usando el mismo modelo matemático de la dinámica del tanque planteado en el primer capítulo, y por medio de simulación numérica, se verifica el funcionamiento del controlador.

Capítulo 1

Introducción

1.1 Descripción del sistema

El sistema está compuesto por un tanque abierto, en el que desemboca el flujo de agua, que pasa por el camino de tuberías indicado en la figura 4.1. Como en las prácticas 1 y 2, una bomba se encarga de cargar el agua desde un tanque inferior. En el tanque superior se mantiene una válvula semi-abierta, por donde se descarga el agua a través de una tubería, hacia el tanque inferior.

Se debe implementar un controlador proporcional que permita mantener el nivel de agua del tanque superior a una altura predefinida, mediante el uso de un dispositivo de control, que regula el paso de una servo válvula abriéndola o cerrándola según se requiera. Una vez validado y verificado el funcionamiento del controlador, a través de un modelo matemático simulado numéricamente, se procede a definirse la instrumentación necesaria para realizar la práctica.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General

Implementar un controlador proporcional discreto al sistema tanque-tanque para mantener un nivel de agua determinado.

Figura 4.1: Diagrama de la Planta, sistema a controlar.

1.2.2 Objetivos Específicos

Conocer el funcionamiento del controlador Honeywell UDC3300. Diseñar la ecuación de un controlador proporcional para mantener

un nivel de agua en el tanque. Simular numéricamente el sistema bajo la acción del controlador

diseñado. Implementar el control proporcional en la planta por medio del

dispositivo Honeywell UDC3300.

Capítulo 2

Marco Teórico

2.1 Breve descripción y uso del Controlador Universal Digital: Honeywell UDC3300

El controlador universal Digital, UDC 3300, es un controlador autónomo basado en un microprocesador, que combina un alto grado de funcionalidad con la sencillez de funcionamiento en un controlador de tamaño estándar (96mm x 96mm).

Algunas de las funciones que posee el UDC3300 son: Salida de corriente con alarma 1.

Salida de alarma con colector abierto. Función estándar de ajuste adaptativo y algoritmo de supresión de

sobredisparos mediante lógica difusa. Posee una entrada analógica de la variable del proceso VP que

puede ser cualquiera de las que se listan a continuación: T/C, RTC. Radiamatic (Sensor de temperatura infrarrojo de Honeywell (sin contacto) ), mV, 0-5V, 1-5V, 0-20 mA, 4-20 mA.

Alimentación 90 a 264 VAC.

Es posible interactuar con el UDC3300 mediante una interfaz que cuenta con 8 teclas de función ubicadas en la parte frontal del mismo, como muestra la Figura 4.2, donde también se observan con detalle algunos indicadores que están disponibles en la pantalla principal del controlador.

Figura 4.2 Interfaz e indicadores del UDC3300.

El dispositivo Honeywell UDC3300 cuenta con varios algoritmos de control, en esta oportunidad se utilizará la configuración de controlador PID, cuyas constantes de ganancia integral y ganancia derivativa serán despreciadas. Para nuestro estudio, la parte proporcional K toma un papel importante cuando la señal de error es grande, pero su acción se ve mermada con la disminución de dicha señal. Este efecto tiene como consecuencia la aparición de un error permanente, que hace que la parte proporcional nunca llegue a solucionar por completo el error del sistema. La configuración en lazo cerrado del sistema de la planta con el controlador proporcional se presenta en la figura 4.3.

Figura 4.3: Control proporcional en lazo cerrado

De esta forma, se puede plantear una ecuación para el controlador proporcional que relacione la variable procesada con el punto de consigna establecido:

U (s )=K (s)E(s)(2.1)

Dónde:

E (s )=R ( s)−Y (s)(2.2)

Con esta última relación, y cambiando al dominio del tiempo, la ecuación (2.1) se puede reescribir como:

u ( t )=K (r ( t )− y (t ) )(2.3)

En nuestro caso, la variabler (t ) será el punto de consigna o valor de referencia (PC), y y (t ) será la variable procesada o valor medido (VP).

Sin embargo, la ecuación (2.3) se anulara cuando la variable del proceso toma el mismo valor que el punto de consigna, por lo tanto se debe agregar una señal de polarización o un “reset” a la ecuación de control. Renombrando las variables, se obtiene:

u (t )=K (PC−VP )+ub(2.4)

Así, cuando el error es cero, la variable de control toma el valor de u ( t )=ub

De esta forma, en la figura 4.4 queda bien definido el lazo de control incorporando uno de los algoritmos que provee el UDC3300. El controlador es un sistema entrada-salida, que recibe como entrada la variable del proceso y proporciona una salida que actuará sobre la planta a controlar, de esta manera el punto de consigna es establecido por el usuario del UDC mediante las teclas de acción de su interfaz.

Figura 4.4: Lazo de control incorporando el algoritmo contenido en el UDC3300.

El controlador UDC3300 contiene un ajuste adaptativo, el cual dispone de un algoritmo de control con posibilidades de efectuar el ajuste automático de sus parámetros, en base punto de consigna que puede ser cualquier valor entre 0-100% del rango de operación del proceso. Los parámetros resultantes pueden ser afinados después para lograr un mejor desempeño.

Para llevar a cabo el ajuste adaptativo, se debe realizar una serie de configuraciones en el UDC3300 para implementar el control proporcional. Primero, hay que calibrar la entrada, esto es: su valor mínimo y valor máximo. De esta forma se establece el rango de valores que puede tomar la señal de entrada, que está representada en el controlador como porcentaje.

Los ajustes para configurar el UDC3300 con el algoritmo de control PID se especifican en la figura 4.5. El procedimiento para la configuración y activación del ajuste adaptativo se muestra en la figura 4.6.

Figura 4.5: Configuración para el algoritmo de control PID del UDC3300.

v

Figura 4.6 Configuración del UDC3300 para el ajuste adaptativo2.2 Implementación del control proporcional

Se pide mantener el nivel de agua en el tanque superior en un valor determinado. Mediante el uso de los instrumentos de la planta se puede implementar el controlador proporcional.

Un flotador ubicado en el tanque superior emite, en forma de voltaje (potenciómetro), una señal que indica la altura del nivel de agua dentro del mismo. Dicha señal es convertida en corriente por medio de un convertidor de voltaje-corriente. Esta corriente es procesada como señal de entrada al controlador PLC, el cual se va a encargar de producir una señal controlada de salida, también en forma de corriente, que es transmitida a un convertidor de corriente-presión. Este último transductor es alimentado por fuente de aire, y se encarga de enviar la señal controlada en forma de presión a una servo válvula (normalmente cerrada). El porcentaje de paso de flujo de la servo válvula será ajustado por la señal de presión que ésta recibe del convertidor.

De esta forma, se regula el caudal de flujo que pasa por la tubería, permitiendo así, mantener el nivel de agua en el tanque superior. En la figura 4.7 se muestra el diagrama de la planta con el controlador propuesto.

Figura 4.7: Diagrama de la planta Control Proporcional.Capítulo 3

Resultados Experimentales

3.3 Memoria Descriptiva.

A continuación se presenta una lista de los instrumentos utilizados

para la implementación del sistema de control mostrado en la figura 4.7.

# Instrumento Cant Marca Modelo Detalles

Técnicos

1 Bomba centrífuga 1 Price

Pump Co. HP75CN 7 HP, 150 PSI.

2 Válvula Manual 4 - - ½ in entrada,

CPVC, 150 PSI

3 Tubería - - - PVC, ½ in

5Servoválvula

de diafragma neumática

1SPX

Valves & Controls

PH 281-469-0550

Entrada de (3-15)psi. ½ in

6Potenciómet

ro con flotador

1 - - De (0-5)V

7 Convertidor V/I 1 - -

Entrada De (0-5)V

salida (4-20)mA

8 Convertidor I/P 1 Bellofram T-1000

Entrada (4-20)mA

salida (3-15)psi

9 Controlador PLC 1 Honeywel

lUDC330

0Alimentación: 90

a 264 VAC

3.4 Análisis de Resultados.

3.4.1 Resultados de la Implantación del Sistema de Control PLC-

Discreto.

En la figura 4.8 se muestra el resultado de la implementación del control PLC-discreto, donde se puede apreciar que el comportamiento teórico-experimental son similares demostrando que su uso es muy efectivo a la hora de elegir la ganancia.

Figura 4.8: Mediciones del nivel del tanque bajo la acción del control proporcional

3.4.2 Comparación de los Resultados.

En la figura 4.9 se muestra el resultado de la aplicación 3 tipos de control sobre el sistema. La curva en rojo indica el resultado predicho por el modelo matemático simulado numéricamente. La curva en azul representa el comportamiento del sistema real bajo la acción del controlador proporcional analógico, la curva negra por su parte describe el comportamiento con un PLC-Discreto. Se puede apreciar que el uso de este último mencionado tiene una oscilación antes de estabilizar cercano a la curva de simulación.

Figura 4.9: Sistema de tanques bajo control proporcional. En rojo el resultado teórico, en azul el experimental.

Capítulo 4Conclusiones

La implementación de un contralor PID Honeywell permite obtener de manera eficiente resultados muy precisos como se logro aprecias en la fig. 4.8, donde el resultado experimental y el resultado teórico se pueden ver que tienen un comportamiento similar. El sistema no presento oscilaciones una vez aplicado el control de la planta por lo que los resultados obtenidos son bastante convincentes demostrando el correcto uso del controlador.

El uso del Labjack permitió obtener también excelentes resultados mediante la implementación del sistema, se requirió crear la rutina para el control On-off del tanque, la cual es de fácil utilización para los usuarios que la requieran.

Se puede concluir que todos los controladores utilizados para implementar el control on-off fueron efectivos, demostrando la versatilidad a la hora de realizar este tipo de control, teniendo en consideración que el control con el Labjack presenta de cierta manera más propenso a registrar pequeñas variaciones a lo largo del registro observado en la imagen 4.9. Si se analiza en profundidad se aprecia que el controlador proporcional analógico tiene bastante similitud a la grafica correspondiente a la simulación del sistema, por lo cual se podría sugerir como el más eficiente por comparación.