EXTENSIÓN LATACUNGA - Repositorio Digital ESPE

EXTENSIÓN LATACUNGA - Repositorio Digital ESPE
EXTENSIÓN LATACUNGA
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO
PARA EL CONTROL AUTOMÁTICO DE UN SISTEMA DE NIVEL
DE AGUA PARA EL LABORATORIO DE REDES INDUSTRIALES
Y CONTROL DE PROCESOS DE LA ESCUELA POLITÉCNICA
DEL EJÉRCITO EXTENSIÓN LATACUNGA.”
AUTOR:
NARVÁEZ VICENTE DAVID ALEXANDER
Tesis presentada como requisito previo a la obtención del grado
de:
INGENIERO EN ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
AÑO 2013
UNIVERSIDAD DE LA FUERZAS ARMADAS
ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD
Narváez Vicente David Alexander
DECLARO QUE:
El proyecto de grado denominado Diseño e Implementación de un módulo
didáctico para el control automático de un sistema de nivel de agua para el
Laboratorio de Redes Industriales y Control de Procesos de la Escuela
Politécnica del Ejército extensión Latacunga, ha sido desarrollado con base a
una investigación exhaustiva, respetando derechos intelectuales de terceros,
conforme las citas que constan el pie de las páginas correspondiente, cuyas
fuentes se incorporan en la bibliografía.
Consecuentemente este trabajo es mi autoría.
En virtud de esta declaración, me responsabilizo del contenido, veracidad y
alcance científico del proyecto de grado en mención.
Latacunga, Noviembre del 2013.
David Narváez V.
ii
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
CERTIFICADO
Ing. Galo Ávila (Director)
Ing. Edwin Pruna (Codirector)
CERTIFICAN
Que el trabajo titulado “Diseño e Implementación de un módulo didáctico para
el control automático de un sistema de nivel de agua para el Laboratorio de
Redes Industriales y Control de Procesos de la Escuela Politécnica del
Ejército extensión Latacunga” realizado por David Alexander Narváez Vicente,
ha sido guiado y revisado periódicamente y cumple normas estatuarias
establecidas por la ESPE, en el Reglamento de Estudiantes de la Universidad
de las Fuerzas Armadas-ESPE.
Debido a que constituye un trabajo de excelente contenido científico que
coadyuvará a la aplicación de conocimientos y al desarrollo profesional, SI
recomiendan su publicación.
El mencionado trabajo consta de un documento empastado y un disco
compacto el cual contiene los archivos en formato portátil de Acrobat (pdf).
Autorizan a David Alexander Narváez Vicente que lo entregue a la Ing. José
Buqueli en su calidad de Director de la Carrera.
Latacunga, Noviembre del 2013.
Ing. Galo Ávila
DIRECTOR
Ing. Edwin Pruna
CODIRECTOR
iii
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
AUTORIZACIÓN
Yo, David Alexander Narváez Vicente
Autorizo a la la Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE la publicación, en
la biblioteca virtual de la Institución del trabajo “Diseño e Implementación de
un módulo didáctico para el control automático de un sistema de nivel de agua
para el Laboratorio de Redes Industriales y Control de Procesos de la Escuela
Politécnica del Ejército extensión Latacunga”, cuyo contenido, ideas y criterios
son de mi exclusiva responsabilidad y autoría.
Latacunga, Noviembre del 2013.
David Narváez V.
iv
DEDICATORIA
A mi familia, quienes con su apoyo incondicional me alentaron a alcanzar la
meta anhelada y me han formado no solo como un profesional sino como una
persona humanista, mis padres quienes con su ejemplo, sabiduría y sacrificio
hicieron de este sueño una meta cumplida guiándome siempre por un buen
camino, a mis hermanos quieres siempre estuvieron a mi lado apoyándome y
ayudándome, gracias a todos he logrado culminar con una etapa importante
de mi vida profesional.
David
v
AGRADECIMIENTO
“Largo es el camino de la enseñanza por medio de teorías; breve y eficaz por medio
de ejemplos.”
Séneca
A mi familia por su apoyo incondicional para poder lograr esta meta.
A todos los docentes, quienes supieron impartir los amplios conocimientos
con respeto y vocación y sobre todo por resaltar los valores que hacen de
nosotros mejores personas, sin dejar de lado a mis asesores de tesis los
cuales respeto y estimo por su ayuda, paciencia, optimismo y colaboración
que me han brindado.
A mis amigos con quienes llegamos a ser parte de una familia no solo
profesionalmente si no también socialmente.
David
vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CARATULA .....................................................................................................i
DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD ..................................................... ii
CERTIFICADO DE TUTORÍA ........................................................................ iii
AUTORIZACIÓN DE PUBLICACIÓN ............................................................. iv
DEDICATORIA ...............................................................................................v
AGRADECIMIENTO ...................................................................................... vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS ........................................................................... vii
LISTADOS DE FIGURAS ............................................................................. xii
LISTADOS DE ANEXOS ............................................................................ xvii
RESUMEN................................................................................................. xviii
ABSTRACT ................................................................................................. xix
1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS.................................................................... 1
1.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1
1.2 IMPORTANCIA DEL PROYECTO ....................................................................... 2
1.3 PANTALLAS HMI. ................................................................................................ 3
1.3.1 INTRODUCCIÓN.......................................................................................... 3
1.3.2 RED LION G306. .......................................................................................... 4
1.4 CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC). ......................................... 6
1.4.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 6
1.4.2 PLC SIEMENS S7-1200............................................................................... 8
a. MÓDULOS DE SEÑALES. .......................................................................... 10
vii
b. SEÑALES INTEGRADAS. ........................................................................... 11
c. MÓDULOS DE COMUNICACIÓN. ............................................................. 11
d. INTERFAZ PROFINET INTEGRADA. ......................................................... 12
1.5 MODOS DE CONTROL DE PROCESOS ......................................................... 13
1.5.1 CONTROL PROPORCIONAL .................................................................... 13
1.5.2 CONTROL INTEGRAL ............................................................................... 15
1.5.3 CONTROL DERIVATIVO ............................................................................ 16
1.5.4 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO .......................... 18
1.6 VARIADOR DE VELOCIDAD DE MOTORES ................................................... 24
1.6.1 VARIADOR DE VELOCIDAD ..................................................................... 24
1.6.2 MOTIVOS PARA EMPLEAR VARIADORES DE VELOCIDAD ................. 25
1.6.3 TIPOS DE VARIADORES DE VELOCIDAD ............................................... 25
a. VARIADORES MECÁNICOS ...................................................................... 25
b. VARIADORES HIDRÁULICOS.................................................................... 25
c. VARIADORES ELÉCTRICO-ELECTRÓNICOS .......................................... 26
1.7 TRANSMISOR DE NIVEL RADAR SIN CONTACTO. ....................................... 27
1.7.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES ........................................................... 27
1.7.2 PRINCIPIO DE MEDICIÓN ......................................................................... 28
a. VENTAJAS DE LA TECNOLOGÍA DE RADAR .......................................... 29
b. CARACTERÍSTICAS ESPECIALES ........................................................... 30
c. MEJOR RENDIMIENTO Y TIEMPO EFECTIVO
DE FUNCIONAMIENTO .................................................................................. 30
d. EL DISEÑO ROBUSTO REDUCE COSTOS Y
AUMENTA LA SEGURIDAD ........................................................................... 31
e. EL MANTENIMIENTO MÍNIMO REDUCE EL COSTO ............................... 31
viii
1.8 REGULADORES DE FLUJO .............................................................................. 32
1.8.1 PARTES DE LA VÁLVULA DE CONTROL ................................................ 32
1.8.2 TIPOS DE VÁLVULAS ................................................................................ 32
1.9 CONVERSOR DE CORRIENTE 4-20 mA. A PRESIÓN 3-15 PSI .................... 34
1.10 ACTUADOR NEUMÁTICO DE 3 A 15 PSI ....................................................... 35
2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DIDÁCTICO .................. 37
2.1 ESPECIFICACIÓN DE REQUISITOS DEL SISTEMA ...................................... 37
2.2 DIAGRAMA DE BLOQUES Y P&ID DEL SISTEMA ......................................... 38
2.2.1 DIAGRAMA DE BLOQUES ........................................................................ 38
2.2.2 DIAGRAMA P&ID ........................................................................................ 39
2.3 DIAGRAMA DE FLUJO....................................................................................... 41
2.4 PROGRAMACIÓN DEL PLC .............................................................................. 44
2.4.1 CREAR UN NUEVO PROYECTO ............................................................. 44
2.4.2 Insertar y configurar un controlador ........................................................... 46
2.4.3 CONFIGURAR LA INTERFAZ PROFINET DEL CONTROLADOR .......... 51
2.4.4 AÑADIR UN MÓDULO DE ENTRADAS Y SALIDAS ANÁLOGO ............. 53
2.4.5 CREAR EL PROGRAMA EN EL CONTROLADOR .................................. 54
2.4.6 Configura una red MODBUS TCP/IP ......................................................... 56
2.4.7 Configurar Bloque de regulador PID. ......................................................... 61
2.4.8 CARGAR EL PROGRAMA AL CONTROLADOR...................................... 64
2.5 PROGRAMACIÓN PANTALLA TOUCH SCREEN (RED LION) ...................... 67
2.5.1 CREAR UN NUEVO PROYECTO ............................................................. 67
2.5.2. CONFIGURAR UNA RED MODBUS TCP/IP SLAVE ............................... 73
ix
2.5.3. CREAR ETIQUETAS O VARIABLES ........................................................ 77
2.5.4. DISEÑO DEL HMI ...................................................................................... 77
2.5.5. CARGAR EL PROGRAMA AL DISPOSITIVO. .......................................... 79
3. RESULTADOS Y PRUEBAS EXPERIMENTALES .................................. 80
3.1 DESCRIPCIÓN FÍSICA DEL SISTEMA. ........................................................... 80
3.2 PRUEBAS EXPERIMENTALES AL SISTEMA.................................................. 85
3.3 FUNCIONAMIENTO EN LOS DISTINTOS MODOS DE CONTROL. ................ 87
3.3.1. CONTROL PROPORCIONAL .................................................................... 87
3.3.2 CONTROL PROPORCIONAL DERIVATIVO ............................................ 88
3.3.3 CONTROL PROPORCIONAL-INTEGRAL ................................................ 89
3.3.4 CONTROL PROPOCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO ............................ 90
3.4 ANÁLISIS DE LAS CURVAS DE PROCESO.................................................... 91
3.4.1 Control Proporcional (P) .............................................................................. 93
3.4.2 Control Proporcional Integral (PI) ............................................................... 95
3.4.3 Control Proporcional Derivativo (PD) ......................................................... 97
3.4.4 Control Proporcional Integral derivativo (PID) ........................................... 98
3.4.5 Control Proporcional Integral Derivativo con encendido de Alarmas ...... 100
3.5 ALCANCE Y LIMITACIONES. .........................................................................101
3.5.1 ALCANCES. .............................................................................................. 101
3.5.2 LIMITACIONES ......................................................................................... 102
4. CONCLUSIONES RECOMENDACIONES ............................................ 103
4.1 CONCLUSIONES.............................................................................................103
x
4.2 RECOMENDACIONES ....................................................................................105
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 107
ENLACES ELECTRÓNICOS ..................................................................... 107
ANEXOS ................................................................................................... 111
xi
LISTADOS DE FIGURAS
Figura 1. 1: Pantalla Red Lion G306 ................................................................ 5
Figura 1. 2: PLC S7 1200 y sus partes ............................................................ 9
Figura 1. 3: Módulos de señales .................................................................... 10
Figura 1. 4: Módulos de señales integradas .................................................. 11
Figura 1. 5: Módulos de comunicación........................................................... 11
Figura 1. 6: Interfaz PROFINET integrada ..................................................... 12
Figura 1. 7: Formas de onda del control
proporcional con distinta ganancia (Kp) ........................................................ 14
Figura 1. 8: Formas de onda del control integral
con distinta ganancia (Ki) .............................................................................. 16
Figura 1. 9: Formas de onda del control
derivativo con distinta ganancia (Kd) ............................................................. 18
Figura 1. 10: Formas de onda del control
PID con ganancias (Kp, Kd, Ki)...................................................................... 19
Figura 1. 11: Diagrama de bloques del sistema de control PID ...................... 20
Figura 1. 12: Transmisor de nivel radar ......................................................... 28
Figura 1. 13: Principio de medición ................................................................ 29
Figura 1. 14: Curva de puertos dobles ........................................................... 31
Figura 1. 15: Válvula de Compuerta ............................................................. 33
Figura 1. 16: Válvula de bola ........................................................................ 34
Figura 1. 17: Estructura Interno del Conversor I/P ........................................ 35
Figura 1. 18: Actuador de una válvula de control .......................................... 36
Figura 2. 1: Diagrama de bloques del sistema ............................................... 38
Figura 2. 2: Diagrama P&ID del sistema ........................................................ 39
Figura 2. 3: Diagrama de flujo del sistema ..................................................... 42
Figura 2. 4: Diagrama de flujo HMI ................................................................ 43
Figura 2. 5: Ingreso al programa TIA Portal ................................................... 44
xii
Figura 2. 6: Pantalla principal del software TIA portal. ................................... 45
Figura 2. 7: Crear un nuevo proyecto............................................................. 46
Figura 2. 8: Agregar un dispositivo. ............................................................... 47
Figura 2. 9: Selección del dispositivo. ............................................................ 47
Figura 2. 10: Finalización de agregar un dispositivo. ..................................... 48
Figura 2. 11: Editor de dispositivos y redes. .................................................. 49
Figura 2. 12: Vista de dispositivos. ................................................................ 50
Figura 2. 13: Selección de la interfaz PROFINET. ......................................... 52
Figura 2. 14: Dirección IP del controlador. ..................................................... 52
Figura 2. 15: Selección del módulo. ............................................................... 53
Figura 2. 16: Módulo de I/O análogas. ........................................................... 54
Figura 2. 17: Bloques de programa. ............................................................... 55
Figura 2. 18: Bloque de organización Main. ................................................... 55
Figura 2. 19: Ventana de programación (Main). ............................................. 56
Figura 2. 20: Selección de MODBUSTCP/IP CLIENT. ................................... 57
Figura 2. 21: Configuración de los parámetros MB_CLIENT.......................... 57
Figura 2. 22: Agregar un nuevo bloque. ......................................................... 61
Figura 2. 23: Bloque de alarma cíclica. .......................................................... 62
Figura 2. 24: PID Compact. ........................................................................... 63
Figura 2. 25: Confirmación del PID Compact. ................................................ 63
Figura 2. 26: Asignación de variables del PID Compact. ............................... 64
Figura 2. 27: Inicio del proceso de cargar. ..................................................... 64
Figura 2. 28: Selección de la interfaz. ............................................................ 65
Figura 2. 29: Comprobación antes de cargar. ................................................ 66
Figura 2. 30: Arranque del módulo. ................................................................ 66
Figura 2. 31: Selección de la pantalla. ........................................................... 68
Figura 2. 32: Ventana principal de Crimson. .................................................. 68
Figura 2. 33: Principales categorías de una base de datos. ........................... 70
Figura 2. 34: Configuración del puerto Ethernet 1. ......................................... 74
xiii
Figura 2. 35: Selección de la red MODBUS TCP/IP SLAVE. ......................... 74
Figura 2. 36: Configuración del controlador del protocolo 1. .......................... 75
Figura 2. 37: Inserción de bloque en el software Crimson.............................. 75
Figura 2. 38: Selección del tipo datos del bloque. .......................................... 76
Figura 2. 39: Configuración de los parámetros del bloque. ............................ 76
Figura 2. 40: Creación etiquetas. ................................................................... 77
Figura 2. 41: Insertar un símbolo. .................................................................. 78
Figura 2. 42: Desarrollo completo del HMI. .................................................... 78
Figura 2. 43: selección del puerto de comunicación de programación. .......... 79
Figura 2. 44: Enviar el programa a la pantalla Touch Screen. ........................ 79
Figura 3. 1: Tanque de almacenamiento de agua .......................................... 80
Figura 3. 2: Bomba centrifuga. ....................................................................... 80
Figura 3. 3: Variador de frecuencia. ............................................................... 81
Figura 3. 4: BOP (Basic Operator Panel). ...................................................... 81
Figura 3. 5: Válvula de control proporcional de presión. ................................ 82
Figura 3. 6: Conversor de corriente a presión. ............................................... 82
Figura 3. 7: Válvula tipo bola. ........................................................................ 82
Figura 3. 8: Transmisor de nivel. .................................................................... 83
Figura 3. 9: Columna de nivel. ....................................................................... 83
Figura 3. 10: Rotámetro. ................................................................................ 84
Figura 3. 11: Autómata CPU 1214C. ............................................................. 84
Figura 3. 12: Módulo de expansión. ............................................................... 85
Figura 3. 13: Pantalla táctil G306A. ............................................................... 85
Figura 3. 14: Forma de respuesta del control proporcional. ........................... 88
Figura 3. 15: Forma de respuesta del control proporcional-derivativo. ........... 89
Figura 3. 16: Forma de respuesta del control proporcional-integral. .............. 90
Figura 3. 17: Forma de respuesta del control
proporcional-integral-derivativo. ..................................................................... 91
Figura 3. 18: Pantalla de las variables del proceso. ....................................... 92
xiv
Figura 3. 19: Pantalla de tendencias del proceso. ......................................... 93
Figura 3. 20: Respuesta del sistema con un control
proporcional con Kp=5.487 ............................................................................ 94
Figura 3. 21: Respuesta del sistema con un control
proporcional con Kp=4.095 ............................................................................ 94
Figura 3. 22: Pantalla para el ingreso de las constantes del control PI .......... 95
Figura 3. 23: Respuesta del sistema con un control PI .................................. 96
Figura 3. 24: Respuesta del sistema con un control PI
con una perturbación ..................................................................................... 97
Figura 3. 25: Respuesta del sistema con un control PD ................................. 98
Figura 3. 26: Respuesta del sistema con un control PID ................................ 99
Figura 3. 27: Respuesta del sistema con un control PID
aplicando una perturbación .......................................................................... 100
Figura 3. 28: Respuesta del sistema con un control PID más las alarmas ... 101
xv
LISTADOS DE TABLAS
Tabla 2. 1: Parámetros de la instrucción "MB_CLIENT":................................ 58
Tabla 3. 1. Valores ingresados para la sintonización del Control P ................ 93
Tabla 3. 2 Parámetros de sintonización del control PI ................................... 95
Tabla 3. 3 Parámetros de sintonización para un control PD ........................... 97
Tabla 3. 4. Parámetros de sintonización para un control PID ......................... 98
xvi
LISTADOS DE ANEXOS
ANEXO A: Glosario de Términos ................................................................. 111
ANEXO B: Hojas de Especificaciones Técnicas .......................................... 116
ANEXO C: Programación ............................................................................ 162
ANEXO D: Guías de Prácticas..................................................................... 173
ANEXO E: Manual Técnico de Posibles Fallas y Soluciones ....................... 227
xvii
RESUMEN
En este proyecto se ha diseñado e implementado un módulo didáctico
para el control y monitoreo automático de un sistema de nivel de agua con
tecnología reciente en el mercado, debido a que en el laboratorio existe
un módulo didáctico de nivel de agua con tecnología descontinuada la
cual proporciona de forma parcial conocimientos a los alumnos para su
desempeño en las industrias ya que estas poseen tecnologías modernas.
El sistema debe ser capaz de controlar un proceso de nivel de agua por
medio de un PLC el cual toma la señal de un transmisor de nivel de tipo
radar, éste PLC una vez procesada la información de acuerdo a un modo
de control y la selección de un actuador previamente configurados, envía
una señal eléctrica a un conversor de corriente a presión o a un variador
de frecuencias dependiendo cual haya sido la selección del actuador; el
conversor de corriente a presión entrega una señal neumática a la válvula
reguladora que dependiendo de la señal neumática recibida se abrirá o se
cerrará proporcionalmente y de este modo variar el flujo del agua que
proporciona la bomba centrifuga; mientras que el variador de frecuencia
dependiendo de la señal eléctrica recibida variara la velocidad de la
bomba centrifuga de forma proporcional alterando el flujo de agua el cual
se puede observar en un rotámetro, de esta manera poder controlar el
nivel de agua en el tanque. Es posible visualizar las variables del proceso
y monitorear el sistema de la estación de nivel de agua gracias a una
TOUCH SCREEN en donde se puede definir de una forma intuitiva el
modo de control(P, PD, PI, PID) a ser aplicado, el actuador a utilizar,
monitorear el proceso, cambiar el valor del set point, aceptar alarmas,
tener seguridades de acceso de usuarios, un registro de eventos y
observar los históricos, de tal forma que se pueda darle estabilidad al
proceso controlado.
xviii
ABSTRACT
In this project has been designed and implemented a training module for
the control and monitoring automatic of a water level system with recent
technology on the market, because in the laboratory there is a module
teaching of water level with discontinued technology which provides partial
knowledge students for their performance in the industries since these
have modern technology.
The system must be able to control a process of water level by means of a
PLC which takes the signal from a radar type level transmitter, this PLC
once processed the information in accordance with a previouslyconfigured control and the selection of an actuator mode, sends an
electrical signal to converter of current to pressure or to a Variator of
frequency depending which was the selection of the actuator; the
converter of current to pressure delivers a pneumatic signal to the
regulator valve that opens or closes proportionally, depending on the
pneumatic signal received and thus vary the flow of the water that provides
the centrifuged pump; While the Variator of frequency depending on the
electrical signal received will vary the speed of the centrifuged pump
proportionally to alter the flow of water which can be seen in a rotameter,
this way be able to control the water level in the tank. It is can visualize the
process variables and monitor the system from the water level station
thanks to a TOUCH SCREEN where you can set intuitively the mode of
control(P, PD, PI, PID) to be applied, the actuator to use, monitor the
process, change the value of the set point, accept alarms, have security of
access to user, event log and see the historical ones, in such a way that
will can give stability to the controlled process.
xix
CAPÍTULO 1
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1 INTRODUCCIÓN
En un sistema automático se busca principalmente aumentar la eficiencia
del proceso incrementando la velocidad, la calidad y la precisión, y
disminuyendo los riesgos que normalmente se tendrían en la tarea si
fuese realizada en forma manual por un operador.
Con el avance de la tecnología, los procesos industriales han sufrido
grandes cambios y quienes están involucrados de una o de otra forma
con el tema, deben estar permanentemente informados acerca de los
nuevos productos, métodos de proceso, solución de fallas, sistemas de
control, etc.
Prácticamente todas las industrias alrededor del mundo poseen al menos
un pequeño sistema automático, lo cual significa que la automatización es
un área que está permanentemente en contacto con el hombre.
Los automatismos están compuestos de tres partes principales, como son
la obtención de señales por parte de los sensores, transmisores, el
procesamiento de dichas señales hecho por los procesadores inteligentes
y la ejecución de respuestas efectuadas por los actuadores.
Todos los procesos se desarrollan en un ambiente de acceso remoto, ya
que el presente modulo es didáctico los estudiantes podrán aplicar todos
los conocimientos adquiridos en las aulas, realizando diversos talleres
prácticos de laboratorio de control y monitoreo industrial.
1
1.2 IMPORTANCIA DEL PROYECTO
Ante el inevitable incremento de los estudiantes en la Carrera de
Ingeniería Electrónica e Instrumentación se ha visto conveniente
la
implementación de un módulo didáctico para una estación de nivel de
agua ya que el desenvolvimiento en el laboratorio de redes industriales y
control de procesos para los alumnos es limitado e incomodo teniendo
que asistir a realizar prácticas en horas extracurriculares, siendo esto un
problema para el optimo aprendizaje.
El módulo didáctico a realizarse está basado en la estación de nivel en el
cual se ha aplicado las mejoras tecnológicas como un transmisor de radar
de última tecnología, una válvula proporcional industrial en la cual se ha
realizado un estudio para un correcto dimensionamiento, un PLC y una
TOUCH SCREEN que independientemente de sus marcas se ha
realizado una comunicación entre estos. De tal manera que todos los
dispositivos que se ha empleado en el módulo didáctico son adecuados
para que sea una herramienta útil de enseñanza moderna.
El desarrollo del presente proyecto permite dotar al Laboratorio de Redes
Industriales y Control de Procesos un sistema con tecnología moderna, el
cual contribuirá a la educación de futuras generaciones de estudiantes en
Ingeniería Electrónica, enfatizando su capacitación en el monitoreo y
control procesos industriales.
2
1.3 PANTALLAS HMI.1
1.3.1 INTRODUCCIÓN.
Una interfaz Humano-Máquina o HMI, Human Machine Interface, por sus
siglas en inglés, es un sistema que presenta datos a un operador y a
través del cual éste controla un determinado proceso.
Los HMIs pueden ser definidos como "ventanas de un proceso". Donde
éstas ventanas pueden estar en dispositivos especiales como paneles de
operador o en una computadora.
Interacción Humano-Máquina (HMI) tiene como objeto de estudio el
diseño, la evaluación y la implementación de sistemas interactivos de
computación para el uso humano, así como los principales fenómenos
que los rodean. Dado que este es un campo muy amplio, han surgido
áreas más especializadas, entre las cuales se encuentran Diseño de
Interacción o de Interfaces de Usuario, Arquitectura de Información y
Usabilidad.
El Diseño de Interacción se refiere a la creación de la interfaz de usuario y
de los procesos de interacción. La Arquitectura de Información apunta a la
organización y estructura de la información brindada mediante el software.
La usabilidad se aboca al estudio de las interfaces y aplicaciones con el
objeto de hacerlas fáciles de usar, fáciles de recordar, fáciles de aprender
y eficientes con bajo coeficiente de error en su uso y que generen
satisfacción en el usuario. A su vez, se asemeja a una disciplina ingenieril
porque
plantea
objetivos
mesurables
y
métodos
rigurosos
para
alcanzarlos.
1
“Interfaz HMI”. [En línea]. Recuperado el 09 de julio del 2013, Disponible en Web:
<http://iaci.unq.edu.ar/materias/laboratorio2/HMI/Introduccion%20HMI.pdf>.
3
La industria de HMI nació esencialmente de la necesidad de estandarizar
la manera de monitorizar y de controlar múltiples sistemas remotos, PLCs
y otros mecanismos de control, con la necesidad de tener un control más
preciso y agudo de las variables de producción y de contar con
información relevante de los distintos procesos en tiempo real. Aunque un
PLC realiza automáticamente un control preprogramado sobre un
proceso, normalmente se distribuyen a lo largo de toda la planta,
haciendo difícil recoger los datos de manera manual, los sistemas SCADA
lo hacen de manera automática.
Desde fines de la década de los ’90, la gran mayoría de los productores
de sistemas PLC ofrecen integración con sistemas HMI/SCADA. Y
muchos de ellos utilizan protocolos de comunicaciones abiertos y no
propietarios, que han permitido masificar este tipo de sistemas y ponerlos
al alcance de las pequeñas empresas.
1.3.2 RED LION G3062.
La pantalla G306 pertenece a la gama Red Lion HMI de la serie G3.
Display 5,7" TFT matriz activa 256 colores QVGA LCD320x240 pixels
modelo G306A)
Display 5,7" Ultra-STN matriz pasiva 256 colores QVGA LCD 320x240
pixels modelo G306C)
Terminal 3ª generación de Red Lion
Configurable con software Crimson 2.0 (gratuito)
Teclado 5 pulsadores y un menú pantalla
3 indicadores LED en panel frontal
2
“Red Lion G306”. [En línea]. Recuperado el 09 de julio del 2013, Disponible en Web: <
http://www.euro-automation.com/DI/RL/G3/G306.html>.
4
Pantalla táctil analógica resistiva
Hasta 5 puertos RS-232/422/485
Puerto Ethernet 10-Base-T/100-Base-TX
Acceso por web y función de control remotos
Configuración y Firmware se guardan en memoria Flash no volátil de
4MB
Display 3" monocromo 126x64 pixels
Puerto USB para descarga configuración
Convertidor de protocolo integrado
Configuración y Firmware se guardan en memoria Flash no volátil:
8MB Flash p/G306A y 4MB p/G306C
Ranura Compact Flash para data logging
Listado UL para uso en ambientes peligrosos
Panel frontal IP66 / NEMA 4X
Alimentación 24 VDC
Figura 1. 1: Pantalla Red Lion G306
5
1.4 CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC).
1.4.1 INTRODUCCIÓN
El controlador lógico programable (PLC), es un equipo electrónico,
programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en
tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales.
Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores y el
programa lógico interno, actuando sobre los accionadores de la
instalación.
La historia del PLC (Control Lógico Programable) se remonta a finales de
la década de 1960, apareció cuando la industria buscó en las nuevas
tecnologías electrónicas una solución más eficiente con el propósito de
eliminar el enorme costo que significaba el reemplazo de un sistema de
control basado en relés (relays), interruptores y otros componentes
comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica
combinacional.
La empresa Bedford Associates (Bedford, MA) propuso un sistema al que
llamó Modular Digital Controller o MODICON a una empresa fabricante de
autos en los Estados Unidos, por los requerimientos de los fabricantes de
automóviles que estaban cambiando constantemente los sistemas de
control en sus líneas de producción para acomodarlos a sus nuevos
modelos de carros, en el pasado, esto requería un extenso re-alambrado
de bancos de relevadores un procedimiento muy costoso.
El desarrollo de los Controladores Lógicos Programables (PLC’s) fue
inventado por el ingeniero Estadounidense Dick Morley.
El MODICON 084 fue el primer PLC producido comercialmente.
6
A mediados de los años 70, la AMD 2901 y 2903 eran muy populares
entre los PLC MODICON. Por esos tiempos los microprocesadores no
eran tan rápidos y sólo podían compararse a PLCs pequeños.
Con el avance en el desarrollo de los microprocesadores (más veloces),
cada vez PLC más grandes se basan en ellos.
La habilidad de comunicación entre ellos apareció aproximadamente en el
año 1973. El primer sistema que lo hacía fue el Modbus de Modicon.
Los PLC podían incluso estar alejados de la maquinaria que controlaban,
pero la falta de estandarización debido al constante cambio en la
tecnología hizo que esta comunicación se tornara difícil.
En los años 80 se intentó estandarizar la comunicación entre PLCs con el
protocolo de automatización de manufactura de la General Motors (MAP).
En esos tiempos el tamaño del PLC se redujo, su programación se
realizaba mediante computadoras personales (PC) en vez de terminales
dedicadas sólo a ese propósito.
En los años 90 se introdujeron nuevos protocolos y se mejoraron algunos
anteriores.
Desde el comienzo de la industrialización, el hombre ha buscado las
formas y procedimientos para que los trabajos se realizaran de forma más
ágil y resultaran menos tediosos para el propio operador.
Un mecanismo que ha sido clave en dicho proceso es el Autómata
Programable o PLC; este dispositivo consigue entre otras muchas cosas,
que ciertas tareas se hagan de forma más rápida y evita que el hombre
aparezca involucrado en trabajos peligrosos para él y su entorno más
próximo.
7
Los Controladores Lógicos Programables (PLC) continúan evolucionando
a medida que las nuevas tecnologías se añaden a sus capacidades. El
PLC se inició como un reemplazo para los bancos de relevadores.
Se puede pensar en un PLC como un pequeño computador industrial que
ha sido altamente especializado para prestar la máxima confianza y
máximo rendimiento en un ambiente industrial.
En su esencia, un PLC mira sensores digitales y analógicos y switches
(entradas), lee su programa de control, hace cálculos matemáticos y como
resultado controla diferentes tipos de hardware (salidas) tales como
válvulas, luces, relés, servomotores, etc. en un marco de tiempo de
milisegundos.
1.4.2 PLC SIEMENS S7-1200.
El S7-1200, es el último dentro de una gama de controladores SIMATIC
de Siemens. El controlador compacto SIMATIC S7-1200 es el modelo
modular y compacto para pequeños sistemas de automatización que
requieran funciones simples o avanzadas para lógica, HMI o redes.
Gracias a su diseño compacto, su bajo costo y sus potentes funciones, los
sistemas de automatización S7-1200 son idóneos para controlar tareas
sencillas.
En el marco del compromiso SIMATIC para con la automatización
plenamente integrada (TIA: Totally Integrated Automation), la familia de
productos S7-1200 y la herramienta de programación STEP 7 Basic
proporcionan
la
flexibilidad
necesaria
para
cubrir
las
diferentes
necesidades de automatización de cada caso.
El controlador S7-1200 ofrece la flexibilidad y potencia necesarias para
controlar una gran variedad de dispositivos para las distintas necesidades
de automatización. Gracias a su diseño compacto, configuración flexible y
8
amplio juego de instrucciones, el S7-1200 es idóneo para controlar una
gran variedad de aplicaciones.
La CPU incorpora un microprocesador, una fuente de alimentación
integrada, circuitos de entrada y salida, PROFINET integrado, E/S de
control de movimiento de alta velocidad y entradas analógicas
incorporadas, todo ello en una carcasa compacta, conformando así un
potente controlador. Una vez descargado el programa, la CPU contiene la
lógica necesaria para vigilar y controlar los dispositivos de la aplicación.
La CPU vigila las entradas y cambia el estado de las salidas según la
lógica del programa de usuario, que puede incluir lógica booleana,
instrucciones de contaje
y temporización, funciones
matemáticas
complejas, así como comunicación con otros dispositivos inteligentes.
Para comunicarse con una programadora, la CPU incorpora un puerto
PROFINET integrado. La CPU puede comunicarse con paneles HMI o
una CPU diferente en la red PROFINET.
Para garantizar seguridad en la aplicación, todas las CPUs S7-1200
disponen de protección por contraseña, que permite configurar el acceso.
Figura 1. 2: PLC S7 1200 y sus partes3
3
“PLC S7 1200”. [En línea]. Recuperado el 19 de julio del 2013, Disponible en Web:
<http://img.diytrade.com/cdimg/1256626/18355349/0/1296095612/Siemens_SIMATIC_S7_PLC_S7
-1200.jpg >
9
Partes PLC S7 1200:
1. Conector de corriente
2. Conectores extraíbles para el cableado de usuario (detrás de las
tapas)
3. LEDs de estado para las E/S integradas
4. Conector PROFINET (en el lado inferior de la CPU)
SIMATIC S7-1200 es el controlador de lazo abierto y lazo cerrado de
control de tareas en la fabricación de equipo mecánico y la construcción
de la planta. Se combina la automatización máxima y mínimo costo.
Debido al diseño modular compacto con un alto rendimiento al mismo
tiempo, el SIMATIC S7-1200 es adecuado para una amplia variedad de
aplicaciones de automatización. Su campo de aplicación se extiende
desde la sustitución de los relés y contactores hasta tareas complejas de
la automatización en las redes y en las estructuras de distribución. El S71200 también se abre cada vez más ámbitos en los que la electrónica
especial ha sido desarrollada previamente por razones económicas.
El SIMATIC S7-1200 posee:
a. MÓDULOS DE SEÑALES.
Figura 1. 3: Módulos de señales4
4
“Módulos de señales”. [En línea]. Recuperado el 19 de julio del 2013, Disponible en Web:
<http://i01.i.aliimg.com/photo/v2/460433135/_font_b_SIEMENS_b_font_font.jpg_120x120.jpg >
10
Las mayores CPU admiten la conexión de hasta ocho Módulos de
Señales, ampliando así las posibilidades de utilizar E/S digitales o
analógicas adicionales.
b. SEÑALES INTEGRADAS.
Figura 1. 4: Módulos de señales integradas5
Un Módulo de Señales Integradas puede enchufarse directamente a una
CPU. De este modo pueden adaptarse individualmente las CPU,
añadiendo E/S digitales o analógicas sin tener que aumentar físicamente
el tamaño del controlador. El diseño modular de SIMATIC S7-1200
garantiza que siempre se podrá modificar el controlador para adaptarlo
perfectamente a cualquier necesidad.
c. MÓDULOS DE COMUNICACIÓN.
Figura 1. 5: Módulos de comunicación.6
5
“Módulos de señales integradas [En línea]. Recuperado el 19 de julio del 2013, Disponible en
Web: <http://www.appliedc.com/images/S7%20parts.jpg >
6
“Módulos de comunicación”. [En línea]. Recuperado el 19 de julio del 2013, Disponible en Web:
<http://www.carven-shop.com/247-thickbox_default/m-comunicacion-1243-2-as-i-v30-siemens.jpg>
11
Toda CPU SIMATIC S7-1200 puede ampliarse hasta con 3 Módulos de
Comunicación.
Los Módulos de Comunicación RS485 y RS232 son aptos para
conexiones punto a punto en serie, basadas en caracteres.
Esta comunicación se programa y configura con sencillas instrucciones, o
bien con las funciones de librerías para protocolo maestro y esclavo USS
Drive y MODBUS RTU, que están incluidas en el sistema de ingeniería
SIMATIC STEP 7Basic.
d. INTERFAZ PROFINET INTEGRADA.
Figura 1. 6: Interfaz PROFINET integrada7
El nuevo SIMATIC S7-1200 dispone de una interfaz PROFINET integrada
que garantiza una comunicación perfecta con el sistema de ingeniería
SIMATIC STEP 7 BASIC integrado. La interfaz PROFINET permite la
programación y la comunicación con los paneles de la gama SIMATIC
HMI BASIC PANELS para la visualización, con controladores adicionales
para la comunicación de CPU a CPU y con equipos de otros fabricantes
para ampliar las posibilidades de integración mediante protocolos abiertos
de Ethernet.
La interfaz PROFINET integrada está a la altura de las grandes
exigencias de la comunicación industrial.
7
“Interfaz profinet integrada”. [En línea]. Recuperado el 21 de julio del 2013, Disponible en Web:
<http://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logic-controller/en/simatic-s7controller/s7-1200/PublishingImages/s7-1200_cpu1217.jpg>
12
Fácil interconexión.
La interfaz de comunicación de SIMATIC S7-1200 está formada por una
conexión RJ45 inmune a perturbaciones, con función Autocrossing, que
admite hasta 16 conexiones Ethernet y alcanza una velocidad de
transferencia de datos hasta de 10/100 Mbits/s. Para reducir al mínimo las
necesidades de cableado y permitir la máxima flexibilidad de red, puede
usarse conjuntamente con SIMATIC S7-1200 el nuevo Compact Switch
Module CSM 1277, a fin de configurar una red homogénea o mixta, con
topologías de línea, árbol o estrella.
1.5 MODOS DE CONTROL DE PROCESOS
1.5.1 CONTROL PROPORCIONAL
La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la
constante proporcional como para que hagan que el error en estado
estacionario sea casi nulo, pero en la mayoría de los casos, estos valores
solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control,
siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin
embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a
partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a
los deseados. Este fenómeno se llama sobre oscilación y, por razones de
seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la
parte proporcional ni siquiera produzca sobre oscilación. Hay una relación
lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del
elemento final de control (la válvula se mueve al mismo valor por unidad
de desviación). La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto,
la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema
contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto
al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa,
13
en la figura 1.7 se muestran las curvas de comportamiento del control
proporcional de acuerdo a su ganancia.
La fórmula del proporcional está dada por:
𝑃𝑠𝑎𝑙 = 𝐾𝑝.(𝑡)
(1.1)
Donde:
Psal: control proporcional de salida.
Kp: constante proporcional.
e(t): señal de error.
El error, la banda proporcional y la posición inicial del elemento final de
control se expresan en tanto por uno. Indica la posición que pasará a
ocupar el elemento final de control
Ejemplo: Cambiar la posición de una válvula (elemento final de control)
proporcionalmente a la desviación de la temperatura (variable) respeto al
punto de consigna (valor deseado).
Figura 1. 7: Formas de onda del control proporcional con distinta
ganancia (Kp) 8
8
“Formas de onda del control proporcional con distinta ganancia (Kp)”. [En línea]. Recuperado el
21 de julio del 2013, Disponible en Web: <http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Proporcional.PNG >
14
1.5.2 CONTROL INTEGRAL
El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el
error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El
control integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el
punto de consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola
a la acción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de
promediarlo o sumarlo por un período determinado; luego es multiplicado
por una constante I. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al
modo Proporcional para formar el control (P + I) con el propósito de
obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario.
La ganancia total del lazo de control debe ser menor a 1, y así inducir una
atenuación en la salida del controlador para conducir el proceso a
estabilidad del mismo. Se caracteriza por el tiempo de acción integral en
minutos por repetición. El elemento final de control repite el mismo
movimiento correspondiente a la acción proporcional.
El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset
(desviación permanente de la variable con respeto al punto de consigna)
de la banda proporcional, en la figura 1.8 se muestra las curvas de
respuesta de este controlador.
La fórmula del integral está dada por:
𝐼𝑠𝑎𝑙 =𝐾𝑖∫ ( )
Donde:
Isal: control integral de salida.
Ki: constante integral.
e( ): señal de error.
15
(1.2)
Ejemplo: Mover la válvula (elemento final de control) a una velocidad
proporcional a la desviación respeto al punto de consigna (variable
deseada).
Figura 1. 8: Formas de onda del control integral con distinta
ganancia (Ki) 9
1.5.3 CONTROL DERIVATIVO
La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor
absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos
proporcional e integral).
El error es la desviación existente entre el punto de medida y el valor
consigna, o "setpoint".
La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo
corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce;
de esta manera evita que el error se incremente.
Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante D y
luego se suma a las señales anteriores (P + I). Es importante adaptar la
respuesta de control a los cambios en el sistema ya que una mayor
9
“Formas de onda del control integral con distinta ganancia (Ki)”. [En línea]. Recuperado el 26 de
julio del 2013, Disponible en Web: < http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Integral.PNG >
16
derivativa corresponde a un cambio más rápido y el controlador puede
responder acordemente.
La fórmula del derivativo está dada por:
𝐷𝑠𝑎𝑙 = 𝐾𝑑
(1.3)
Donde:
Dsal: control derivativo de salida.
Kd: constante derivativa.
e: señal de error.
El control derivativo se caracteriza por el tiempo de acción derivada en
minutos de anticipo. La acción derivada es adecuada cuando hay retraso
entre el movimiento de la válvula de control y su repercusión a la variable
controlada.
Cuando el tiempo de acción derivada es grande, hay inestabilidad en el
proceso. Cuando el tiempo de acción derivada es pequeño la variable
oscila demasiado con relación al punto de consigna. Suele ser poco
utilizada debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y a las
complicaciones que ello conlleva.
El tiempo óptimo de acción derivativa es el que retorna la variable al punto
de consigna con las mínimas oscilaciones, la figura 1.9 ilustra el
comportamiento de este modo de control.
Ejemplo: Corrige la posición de la válvula (elemento final de control)
proporcionalmente a la velocidad de cambio de la variable controlada.
17
Figura 1. 9: Formas de onda del control derivativo con distinta
ganancia (Kd)10
La acción derivada puede ayudar a disminuir el rebasamiento de la
variable durante el arranque del proceso. Puede emplearse en sistemas
con tiempo de retardo considerables, porque permite una repercusión
rápida de la variable después de presentarse una perturbación en el
proceso.
1.5.4 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO
Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por
realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un
controlador PID corrige el error entre un valor medido y el valor que se
quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que
puede ajustar al proceso acorde. El algoritmo de cálculo del control PID se
da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo.
El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral
genera una corrección proporcional a la integral del error, esto asegura
que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se
reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el
error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al
proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de
10
“Formas de onda del control derivativo con distinta ganancia (Kd))”. [En línea]. Recuperado el
26 de julio del 2013, Disponible en Web: < http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Derivativo.PNG>
18
control o la energía suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando
estas tres constantes en el algoritmo de control del PID, el controlador
puede proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a
realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en términos de
respuesta del control ante un error, el grado el cual el controlador llega al
"setpoint", y el grado de oscilación del sistema.
Nótese que el uso del PID para control no garantiza control óptimo del
sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo
requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de control.
Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la
ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son
particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al
ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al
valor deseado debido a la acción de control, en la figura 1.10 muestra el
comportamiento de este modo de control y la figura 1.11 se puede
observar cómo interactúan los modos de control para formar el control
PID.
Figura 1. 10: Formas de onda del control PID con ganancias (Kp, Kd,
Ki)11
11
“Formas de onda del control PID con ganancias (Kp, Kd, Ki)”. [En línea]. Recuperado el 26 de
julio del 2013, Disponible en Web: <http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Proporcional.PNG>
19
Figura 1. 11: Diagrama de bloques del sistema de control PID12
Funcionamiento
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un
proceso o sistema se necesita, al menos:
1. Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro,
caudalímetro, manómetro, etc.)
2. Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.
3. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada
(resistencia eléctrica, motor, válvula, bomba, etc.)
El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la cual
representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema.
La señal puede representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad de
corriente eléctrica o frecuencia. En este último caso la señal es de
corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son con corriente
continua.
12
“Diagrama de bloques del sistema de control PID”. [En línea]. Recuperado el 26 de julio del
2013, Disponible en Web: < http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:PID.svg>
20
El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea
alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de
referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de
valores que la señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta
compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser entendida por un
humano, habrá que establecer algún tipo de interfaz (HMI – Human
Machine Interface), son pantallas de gran valor visual y fácil manejo que
se usan para hacer más intuitivo el control de un proceso.
El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de
consigna, obteniendo así la señal de error, que determina en cada
instante la diferencia que hay entre el valor deseado (consigna) y el valor
medido. La señal de error es utilizada por cada uno de los 3 componentes
del controlador PID. Las 3 señales sumadas, componen la señal de salida
que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La señal
resultante de la suma de estas tres se llama variable manipulada y no se
aplica directamente sobre el actuador, sino que debe ser transformada
para ser compatible con el actuador.
Las tres componentes de un controlador PID son: parte Proporcional,
acción Integral y acción Derivativa. El peso de la influencia que cada una
de estas partes tiene en la suma final, viene dado por la constante
proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo, respectivamente. Se
pretenderá lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el
mínimo tiempo posible los efectos de las perturbaciones.
Significado de las constantes
P constante de proporcionalidad: se puede ajustar como el valor de la
ganancia del controlador o el porcentaje de banda proporcional. Ejemplo:
Cambia la posición de la válvula proporcionalmente a la desviación de la
variable respecto al punto de consigna. La señal P, mueve la válvula
21
siguiendo fielmente los cambios de temperatura multiplicados por la
ganancia.
I constante de integración: indica la velocidad con la que se repite la
acción proporcional.
D constante de derivación: hace presente la respuesta de la acción
proporcional duplicándola, sin esperar a que el error se duplique. El valor
indicado por la constante de derivación es el lapso de tiempo durante el
cual se manifestará la acción proporcional correspondiente a 2 veces el
error y después desaparecerá. Ejemplo: Mueve la válvula a una velocidad
proporcional a la desviación respeto al punto de consigna. La señal I, va
sumando las áreas diferentes entre la variable y el punto de consigna
repitiendo la señal proporcional según el tiempo de acción derivada
(minutos/repetición).
Tanto la acción Integral como la acción Derivativa, afectan a la ganancia
dinámica del proceso. La acción integral sirve para reducir el error
estacionario, que existiría siempre si la constante Ki fuera nula. Ejemplo:
Corrige la posición de la válvula proporcionalmente a la velocidad de
cambio de la variable controlada. La señal Kd, es la pendiente (tangente)
por la curva descrita por la variable.
La salida de estos tres términos, el proporcional, el integral, y el derivativo
son sumados para calcular la salida del controlador PID. Definiendo (𝑡)
como la salida del controlador, la forma final del algoritmo del PID es:
y(𝑡) = 𝐾𝑝.𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ ( )
Donde:
y(t): salida del control
Kp: constante proporcional.
22
+ 𝐾𝑑 .
(1.4)
e: error
Ki: constante integral.
Kd: constante derivativa.
Limitaciones de un control PID
Mientras que los controladores PID son aplicables a la mayoría de los
problemas de control, pueden ser pobres en otras aplicaciones. Los
controladores PID, cuando se usan solos, pueden dar un desempeño
pobre cuando la ganancia del lazo del PID debe ser reducida para que no
se dispare u oscile sobre el valor del "setpoint". El controlador PID puede
ser usado principalmente para responder a cualquier diferencia o "error"
que quede entre el setpoint y el valor actual del proceso.
Otro problema que posee el PID es que es lineal. Principalmente el
desempeño de los controladores PID en sistemas no lineales es variable.
También otro problema común que posee el PID es, que en la parte
derivativa, el ruido puede afectar al sistema, haciendo que esas pequeñas
variaciones, hagan que el cambio a la salida sea muy grande.
Generalmente un Filtro pasa bajo ayuda, ya que removería las
componentes de alta frecuencia del ruido. Sin embargo, un filtro pasa bajo
y un control derivativo puede hacer que se anulen entre ellos.
Alternativamente, el control derivativo puede ser sacado en algunos
sistemas sin mucha pérdida de control. Esto es equivalente a usar un
controlador PID como PI solamente.
23
1.6 VARIADOR DE VELOCIDAD DE MOTORES
1.6.1 VARIADOR DE VELOCIDAD
El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed
Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos
mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar
la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También
es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también
por sus siglas en inglés Adjustable Speed Drive).
La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores
eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores
precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a
velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la
alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se
pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los
motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de
variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una
amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo
de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores
industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.
Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor
eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del
mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un
dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua
(sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como
variador de velocidad.
24
1.6.2
MOTIVOS
PARA
EMPLEAR
VARIADORES
DE
VELOCIDAD
El control de procesos y el ahorro de la energía son las dos de las
principales razones para el empleo de variadores de velocidad.
Históricamente,
los variadores de
velocidad
fueron desarrollados
originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energético ha
surgido como un objetivo tan importante como el primero.
1.6.3 TIPOS DE VARIADORES DE VELOCIDAD
En términos generales, puede decirse que existen tres tipos básicos de
variadores de velocidad: mecánicos, hidráulicos y eléctrico-electrónicos.
Dentro de cada tipo pueden encontrarse más subtipos, que se detallarán
a continuación
a. VARIADORES MECÁNICOS

Variadores de paso ajustable: estos dispositivos emplean poleas y
bandas en las cuales el diámetro de una o más poleas puede ser
modificado.

Variadores de tracción: transmiten potencia a través de rodillos
metálicos. La relación de velocidades de entrada/salida se ajusta
moviendo los rodillos para cambiar las áreas de contacto entre
ellos y así la relación de transmisión.
b. VARIADORES HIDRÁULICOS

Variador hidrostático: consta de una bomba hidráulica y un motor
hidráulico (ambos de desplazamiento positivo). Una revolución de
la bomba o el motor corresponde a una cantidad bien definida de
volumen del fluido manejado. De esta forma la velocidad puede ser
25
controlada mediante la regulación de una válvula de control, o bien,
cambiando el desplazamiento de la bomba o el motor.

Variador hidrodinámico: emplea aceite hidráulico para transmitir par
mecánico entre un impulsor de entrada (sobre un eje de velocidad
constante) y un rotor de salida (sobre un eje de velocidad
ajustable). También llamado acoplador hidráulico de llenado
variable.

Variador hidroviscoso: consta de uno o más discos conectados con
un eje de entrada, los cuales estará en contacto físico (pero no
conectados mecánicamente) con uno o más discos conectados al
eje de salida. El par mecánico (torque) se transmite desde el eje de
entrada al de salida a través de la película de aceite entre los
discos. De esta forma, el par transmitido es proporcional a la
presión ejercida por el cilindro hidráulico que presiona los discos.
c. VARIADORES ELÉCTRICO-ELECTRÓNICOS
Los variadores eléctrico-electrónicos incluyen tanto el controlador como el
motor eléctrico, sin embargo es práctica común emplear el término
variador únicamente al controlador eléctrico.
Los primeros variadores de esta categoría emplearon la tecnología de los
tubos de vacío. Con los años después se han ido incorporando
dispositivos de estado sólido, lo cual ha reducido significativamente el
volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los
dispositivos.
Existen
cuatro
categorías
de
variadores
de
velocidad
electrónicos:

Variadores para motores de CC.

Variadores de velocidad por corrientes de Eddy

Variadores de deslizamiento
26
eléctrico-

Variadores para motores de CA conocidos como variadores de
frecuencia.
1.7 TRANSMISOR DE NIVEL RADAR SIN CONTACTO. 13
1.7.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES

Preciso y fiable, medida de nivel directa, prácticamente no se ve
afectado por las condiciones del proceso.

Mejor rendimiento y tiempo efectivo de funcionamiento gracias a la
tecnología de
puerto doble,
la capacidad avanzada
seguimiento de la superficie y las antenas
de
resistentes a la
condensación y a la suciedad.

Fácil instalación y puesta en servicio mediante polarización circular
y herramientas de configuración potentes y fáciles de usar.

Alta flexibilidad de aplicación con una amplia gama de conexiones
de proceso, materiales, antenas y modelos de frecuencia alta y
baja.

Mantenimiento mínimo, ya que no posee piezas móviles ni está en
contacto con el proceso; no se requiere recalibración.

Más seguridad. Aprobado por terceros para
protección contra
sobrellenado e idoneidad para sistemas integrados de seguridad.
13
“Transmisor de nivel radar sin contacto”. [En línea]. Recuperado el 03 de agosto del 2013,
Disponible
en
Web:
<http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Rosemount%20Documents/008130109-4026.pdf>
27
Figura 1. 12: Transmisor de nivel radar14
1.7.2 PRINCIPIO DE MEDICIÓN
La distancia a la superficie se mide por medio de pulsos cortos de radar,
que se transmiten desde la antena que se encuentra en la parte superior
del depósito. Cuando un pulso de radar
alcanza un medio con una
constante dieléctrica diferente, parte de la energía se refleja de vuelta al
transmisor. La diferencia de tiempo entre el pulso transmitido y el reflejado
es proporcional a la distancia a la superficie del producto, a partir de la
cual se calculan el nivel, el volumen y la velocidad de variación del nivel.
Las aplicaciones con turbulencia, espuma, intervalos de medición largos,
objetos extraños o constantes dieléctricas bajas pueden reducir la energía
que se refleja o, en el peor de los casos, eliminarla completamente, con lo
que no se podría detectar ninguna superficie. Sin embargo, la intensidad
de la reflexión se puede mejorar con el uso de un radar de alto
rendimiento con tecnología de doble puerto y, de esa manera, detectar la
superficie de las aplicaciones más exigentes.
14
“Transmisor de nivel radar”. [En línea]. Recuperado el 03 de agosto del 2013, Disponible en
Web:
<http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Rosemount%20Documents/008130109-4026.pdf>
28
Figura 1. 13: Principio de medición15
A continuación se presenta algunas ventajas y características especiales
del transmisor de nivel con tecnología de radar:
a. VENTAJAS DE LA TECNOLOGÍA DE RADAR

Mediciones directas de nivel extremadamente fiables y precisas,
sin necesidad de compensación en caso de cambio en las
condiciones
del
proceso
(como
densidad,
conductividad,
viscosidad, pH, dielectricidad, temperatura y presión)

La instalación en la parte superior minimiza el riesgo de fugas y
permite que se realice con líquido en el interior del depósito

Al
no
tener
piezas
móviles
ni
requerir
recalibración,
el
mantenimiento es mínimo

La tecnología sin contacto es ideal para las aplicaciones con
materiales corrosivos, sucios o adherentes
15
“Principio de medición”. [En línea]. Recuperado el 03 de agosto del 2013, Disponible en Web:
<http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Rosemount%20Documents/008130109-4026.pdf>
29
b. CARACTERÍSTICAS ESPECIALES
Alta flexibilidad de aplicación

Adecuado para la mayoría de las aplicaciones con líquido y
lechada y para condiciones de proceso desde depósitos reactores
hasta depósitos de almacenamiento y compensación.

Modelos de frecuencia alta y baja

Una amplia gama de materiales, conexiones de proceso, estilos de
antena y accesorios

Tecnología de doble puerto para aumentar la intensidad de la señal
y proporcionar mediciones en aplicaciones exigentes

c.
Se puede aislar por medio de válvulas
MEJOR
RENDIMIENTO Y
TIEMPO
EFECTIVO
DE
FUNCIONAMIENTO

La tecnología de doble puerto garantiza la fiabilidad, incluso con
factores perturbadores, intervalos de medición largos y constantes
dieléctricas bajas

El seguimiento avanzado de la superficie ofrece la capacidad de
manejar ecos débiles de manera fiable, mediante la identificación el
eco real y el registro de ecos falsos

Las antenas, resistentes a la condensación y a la suciedad,
maximizan el tiempo efectivo de funcionamiento

La monitorización ininterrumpida del proceso reduce el tiempo de
inactividad
30
Figura 1. 14: Curva de puertos dobles16
d. EL DISEÑO ROBUSTO REDUCE COSTOS Y AUMENTA
LA SEGURIDAD

Diseño robusto, resistente a impactos y a prueba de vibraciones

El cabezal del transmisor desmontable permite que el depósito se
mantenga sellado

La carcasa de doble compartimento separa las conexiones de
cables y el sistema electrónico para una manipulación más segura
y una mayor protección contra la humedad
e. EL MANTENIMIENTO MÍNIMO REDUCE EL COSTO

Sin contacto con el medio y sin piezas mecánicas móviles

No es necesaria la compensación o recalibración

Fácil resolución de problemas en línea con un software fácil de
usar, con curva de eco y herramientas de inicio de sesión
16
“Curva de puertos dobles”. [En línea]. Recuperado el 03 de agosto del 2013, Disponible en
Web:
<http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Rosemount%20Documents/008130109-4026.pdf>
31

Mantenimiento predictivo con diagnóstico avanzados y alertas
PlantWeb®.
1.8 REGULADORES DE FLUJO
Los reguladores de flujo permiten mantener constante el flujo en un
conducto o tubería. Son conocidos también como válvulas.
Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se
puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases,
conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de
líquidos y gases. Pueden trabajar con presiones que van desde el vacío
hasta más de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las
criogénicas hasta 1500 °F (815 °C).
1.8.1 PARTES DE LA VÁLVULA DE CONTROL
Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la
parte motriz o actuador y el cuerpo.

Actuador: el actuador también llamado accionador o motor puede
ser neumático, eléctrico o hidráulico.

Cuerpo de la válvula: este está provisto de un obturador o tapón,
los asientos del mismo y una serie de accesorios. El tapón es el
encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de
la válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje
mediante un movimiento angular. Está unido por medio de un
vástago al actuador.
1.8.2 TIPOS DE VÁLVULAS

Válvulas de compuerta

Válvulas de globo

Válvulas de bola
32

Válvulas de mariposa

Válvulas de apriete

Válvulas de diafragma

Válvulas de macho

Válvulas de retención

Válvulas de desahogo (alivio)
En el módulo se utilizan dos tipos de válvulas las que son las de
compuerta y la de tipo bola.
Válvulas de Compuerta
La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el
orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos
rectos sobre el asiento figura 1.15 es recomendada para una apertura o
cierre total, sin estrangulación. Su aplicación está dada para una amplia
gama de fluidos ya sean aceites, petróleo, gas, aire, etc. Sus ventajas
más notables son su alta capacidad, cierre hermético, bajo costo, etc.
Figura 1. 15: Válvula de Compuerta 17
Válvulas de bola
Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada
gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la
posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el
17
“Válvula de Compuerta”. [En línea]. Recuperado el 04 de agosto del 2013, Disponible en Web:
<http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml>
33
conducto figura 1.16. Es recomendada para servicio de conducción y
corte, sin estrangulación, cuando se requiere apertura rápida. Se aplica
generalmente para servicio general, altas temperaturas y pastas
semilíquidas. Sus ventajas son su bajo costo, alta capacidad, corte
bidireccional, circulación en línea recta, pocas fugas, se limpia por sí sola,
cierre hermético con baja torsión.
Figura 1. 16: Válvula de bola 18
1.9 CONVERSOR DE CORRIENTE 4-20 mA. A PRESIÓN 315 PSI
Un conversor de corriente a presión es un dispositivo capaz de
transformar una señal de corriente eléctrica de 4 a 20 mA., a una
neumática de 3 a 15 PSI, este dispositivo requiere de una alimentación de
20 psi los cuales son proporcionados mediante el regulador de presión
que se encuentra en la parte posterior del panel frontal.
Funcionamiento
El dispositivo expuesto como conversor de corriente a presión está
basado en un regulador de presión que ejerce más o menos presión a la
salida del dispositivo dependiendo del desplazamiento realizado por una
boquilla que es empujada por una membrana que a su vez es desplazada
por un electroimán accionado y regulado por la señal de corriente de 4 a
20 mA; en la entrada de presión se encuentra una señal neumática de 20
18
“Válvula de bola”. [En línea]. Recuperado el 04 de agosto del 2013, Disponible en Web:
<http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml>
34
psi y es regulada de 3 a 15 psi para entregar esta señal a la salida de
presión.
Figura 1. 17: Estructura Interno del Conversor I/P
19
1.10 ACTUADOR NEUMÁTICO DE 3 A 15 PSI
Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son
accionadas neumáticamente.
Los actuadores neumáticos constan básicamente de un diafragma, un
vástago y resortes tal como se muestra en la figura 1.18, lo que se busca
19
“Estructura Interno del Conversor I/P”. [En línea]. Recuperado el 04 de agosto del 2013,
Disponible
en
Web:
<http://www.industrialelectronics.com/output_devices_amplifiers_valves_relays_variablefrequency_drives_stepper_motors_servomotors/Simplified%20Pneumatic-Assisted_Valve.html>
35
en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión recibida
por la válvula corresponda una posición determinada del vástago.
Teniendo en cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 psi (lbs.
/pulg²).
Funcionamiento
El aire elevado a una presión de 3 a 15 PSI ingresa por la entrada de
alimentación neumática empujando al diafragma hacia abajo al tiempo
que ejerce presión y deforma los resortes, bajando el vástago que está
unido al de la válvula, dependiendo de la cantidad de presión de aire
ingresada en la entrada neumática el vástago se bajará parcialmente o en
su totalidad cerrando la válvula. Para abrir la válvula se debe disminuir la
cantidad de presión de aire ingresado en la entrada neumática dejando de
ejercer fuerza en los resortes permitiéndole regresar a su forma original y
devolviendo el vástago a su posición de inicio.
Figura 1. 18: Actuador de una válvula de control 20
20
“Actuador de una válvula de control”. [En línea]. Recuperado el 04 de agosto del 2013,
Disponible en Web:<http://pdf.directindustry.com/pdf/fisher/gx-3-way-control-valve-actuator-systemdescription/14722-86416-_2.html>
36
CAPÍTULO 2
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DIDÁCTICO
2.1 ESPECIFICACIÓN DE REQUISITOS DEL SISTEMA
El sistema debe ser capaz de controlar un proceso de nivel de agua por
medio de un PLC el cual toma la señal de un transmisor de nivel tipo
radar, éste PLC una vez procesada la información de acuerdo a un modo
de control configurado envía instrucciones a un variador de frecuencia
para regular la velocidad de una bomba centrifuga trifásica y de este
modo variar el flujo del agua para variar el nivel de agua que se encuentra
en la columna de nivel. Será posible visualizar las variables del proceso y
monitorear el sistema de la estación de nivel de agua gracias a una
TOUCH SCREEN que contendrá una HMI de configuración, sintonización
y monitoreo del sistema.
El PLC debe tener la capacidad de controlar el sistema de nivel de agua
en base a un lazo de control (PID, PD, PI, P).
La pantalla táctil (Touch Screen) permitirá ingresar los parámetros
necesarios para poder controlar el proceso del sistema, de tal forma que
se pueda darle estabilidad al proceso controlado.
La interfaz HMI dará monitoreo del proceso en el sistema en forma
permanente, teniendo en cuenta distintos eventos como: alarmas,
registro, tendencias, históricos, estado del proceso, tipo de control y
seguridades de acceso a usuarios, esta interfaz deberá ser intuitiva para
que el operador no encuentre dificultad al manipular el sistema y además
encuentre un entorno amigable y confiable.
37
2.2 DIAGRAMA DE BLOQUES Y P&ID DEL SISTEMA
2.2.1 DIAGRAMA DE BLOQUES
El siguiente diagrama de la figura 2.1 muestra como está concebido el
sistema de control de nivel de agua para un funcionamiento normal en
lazo cerrado.
Figura 2. 1: Diagrama de bloques del sistema
HMI.- Representa la Interfaz Humano Máquina (Red Lion 306A), en donde
se puede configurar y visualizar el funcionamiento del sistema.
PLC.- Es la representación de la Unidad de Control Lógica Programable,
Siemens S7-1200, unidad que permite el control de todo el sistema de
nivel con un lazo de control seleccionado PID, PD, PI, P.
Análogo I/O.- Es un módulo de expansión de entradas y salidas
analógicas que proporciona el vínculo entre la CPU del controlador y los
dispositivos de campo del sistema.
ECF.- Elemento de control final (Variador de Frecuencia) dispositivo que
controla la velocidad de rotación de un motor de corriente alterna a través
de la variación de frecuencia de alimentación suministrada o (Válvula
38
Proporcional) dispositivo que controla el flujo de agua para variar el nivel
de agua en la columna de nivel.
SENSOR.- Es aquel dispositivo que permite medir una variable física que
junto a un transductor se convierta en una señal eléctrica para que
puedan ser interpretadas por el controlador.
TX.- Es la representación de un Transmisor, a su vez, este capta la
variable del proceso (Nivel) y la transmite a distancia a un instrumento
indicador, registrador, controlador.
2.2.2 DIAGRAMA P&ID
LIT
100
V-5
V-6
LIC
100
100
COLUMNA
P
AS
100
SC
SEÑAL DE
PRESION
3 – 15 PSI
100
VC-1
V-2
V-1
LCV
TANQUE
BOMBA
V-3
100
Figura 2. 2: Diagrama P&ID del sistema
TANQUE.- La estación consta con un tanque reservorio de agua para 45
litros, es el punto de partida y de llegada del sistema.
39
100
I
LY
V-7
LI
E-5
LC
V-4
COLUMNA DE AGUA.- Este es quizá uno de los más importantes
dispositivos ya que brinda la posibilidad de visualizar físicamente el nivel
de agua existente en el proceso.
VÁLVULAS DE PASO (V-1, V-2, V-3, V-5, V-6, V-7).- Son válvulas de
bola que están instaladas en la línea de proceso que tiene el objetivo de
provocar perturbaciones externas, y también sirven para cuando se quiera
realizar el mantenimiento del sistema.
VÁLVULAS DE COMPUERTA (V-4).- Es de vueltas múltiples sirve para
regular de forma manual el caudal de agua en la tubería o provocar
perturbación al sistema.
VÁLVULA CONTROLADORA (VC-1).- Es una válvula de control
proporcional de presión la cual se encarga de regular el caudal de agua
en la tubería, de esta manera controlando el nivel de agua en la columna
de nivel.
CONVERSOR DE CORRIENTE A PRESIÓN (LY).- Se encarga de
convertir una señal eléctrica de 4 – 20 mA a una señal neumática de 3 –
15 PSI.
ALIMENTACIÓN DE AIRE (AS).- Se encarga de suministrar presión al
conversor de corriente a presión.
BOMBA CENTRIFUGA.- Es quien hace posible el funcionamiento de todo
el sistema ya que hace circular el agua por el mismo. Funciona con un
motor trifásico.
TRANSMISOR INDICADOR DE NIVEL (LIT-101).- Este transmisor de
radar es el encargado de realizar una medida exacta del nivel de agua en
la columna existente en el proceso mediante la medición de tiempo que
tarda la señal de radar en regresar al haber chocado contra el nivel de
agua generando una señal eléctrica para entregarlo al controlador.
40
ROTÁMETRO (LI-100).- Brinda la posibilidad de visualizar físicamente el
flujo de agua existente en el proceso.
CONTROLADOR DE NIVEL (LC-100).- El encargado de controlar el
proceso de nivel es un PLC SIEMENS S7-1200 en cual también debe
comunicarse con un touch panel para poder realizar configuración,
sintonización y monitoreo del proceso.
INDICADOR DE NIVEL (LIC-100).- Esta tarea es realizada por el touch
panel RED LION G306A en donde se puede manipular directamente la
acción del controlador con las configuraciones y ajuste deseados que se
realice para el proceso.
CONTROLADOR
DE
VELOCIDAD
(SC-100).-
Es
el
dispositivo
encargado de variar la velocidad del motor trifásico de la bomba y con
esto el flujo de agua del proceso, realizado por un driver de la marca
SIEMENS modelo MICROMASTER 440
2.3 DIAGRAMA DE FLUJO.
A continuación en las figuras 2.3 y 2.4 se muestran los diagramas de flujo
del sistema y del funcionamiento de la HMI respectivamente, en donde se
ilustra claramente el flujo de información y procesamiento de la misma.
.
41
Figura 2. 3: Diagrama de flujo del sistema
42
Figura 2. 4: Diagrama de flujo HMI
43
2.4 PROGRAMACIÓN DEL PLC
Para empezar a programar se necesita una PC instalado el software TIA
PORTAL (Totally Integrated Automation Portal), con sus respectivas
librerías y herramientas listas para utilizarlas y hacer el respectivo
programa de control.
La programación en TIA PORTAL constituye un entorno de fácil manejo
para desarrollar, editar y observar el programa necesario con objeto de
controlar la aplicación.
2.4.1 CREAR UN NUEVO PROYECTO
Los pasos siguientes muestran cómo crear un proyecto. En el proyecto se
guardan, de forma ordenada, los datos y programas que se generan al
crear una tarea de automatización. Para este ejemplo hay que abrir el
Totally Integrated Automation Portal en la vista del portal. En el portal de
inicio encontrará comandos para crear un proyecto nuevo o abrir uno ya
existente.
Para crear un proyecto nuevo, se procede del siguiente modo:
1. Se inicia el Totally Integrated Automation Portal.
Figura 2. 5: Ingreso al programa TIA Portal
44
El Totally Integrated Automation Portal se abre en la vista del portal.
El objetivo de la vista del portal es facilitar en lo posible la navegación por
las tareas y los datos del proyecto. Para ello, es posible acceder a las
funciones de la aplicación desde distintos portales, según las principales
tareas que deban realizarse. La figura siguiente muestra la estructura de
la vista del portal:
Figura 2. 6: Pantalla principal del software TIA portal.
1. Portales para las distintas tareas:
Los portales proveen las funciones básicas para las distintas tareas. Los
portales disponibles en la vista del portal dependen de los productos
instalados.
2. Acciones del portal seleccionado:
45
Aquí aparecen las acciones que se pueden ejecutar en el portal en
cuestión y que pueden variar en función del portal. El acceso contextual a
la Ayuda es posible desde cualquier portal.
3. Ventana de selección de la acción seleccionada:
La ventana de selección está disponible en todos los portales. El
contenido de la ventana se adapta a la selección actual.
4. Cambiar a la vista del proyecto:
El enlace "Vista del proyecto" permite cambiar a la vista del proyecto.
5. Indicación del proyecto abierto actualmente:
Aquí se indica qué proyecto está abierto actualmente.
2. Clic en Crear proyecto llenar el nombre del proyecto ejemplo
"Estacion_Nivel" en una ruta de su elección y clic en crear.
Figura 2. 7: Crear un nuevo proyecto.
2.4.2 Insertar y configurar un controlador
Para agregar un dispositivo nuevo al proyecto, se procede del siguiente
modo:
46
1. Se Inserta un dispositivo nuevo desde el portal.
Figura 2. 8: Agregar un dispositivo.
2. Se selecciona el controlador deseado en este caso la CPU
1214C AC/DC/Rly.
Figura 2. 9: Selección del dispositivo.
3. Asegurarse que la opción de "Abrir la vista de dispositivos" está
activada. Si esta opción está desactivada, clic en ella con el
botón izquierdo del ratón para activarla.
4. Clic en el botón "Agregar".
47
Figura 2. 10: Finalización de agregar un dispositivo.
5. Finalmente se ha abierto en la vista de dispositivos del editor de
dispositivos y redes
48
Figura 2. 11: Editor de dispositivos y redes.
La vista de dispositivos es el área de trabajo del editor de dispositivos y
redes, y en él se realizan las tareas siguientes:
● Configurar y parametrizar dispositivos
● Configurar y parametrizar módulos
La figura siguiente muestra la estructura de la vista de dispositivos:
49
Figura 2. 12: Vista de dispositivos.
1. Ficha para cambiar entre la vista de dispositivos y la de redes
2. Barra de herramientas:
La barra de herramientas permite cambiar entre los diferentes dispositivos
así como mostrar y ocultar determinada información. La función de zoom
permite modificar la representación en el área gráfica.
3. Área gráfica:
El área gráfica de la vista de dispositivos muestra los dispositivos y los
módulos correspondientes que están asignados unos a otros a través de
uno o varios racks.
50
En el área gráfica es posible arrastrar otros objetos hardware desde el
catálogo de hardware (7) hasta los slots de los racks y configurarlos.
4. Navegación general:
La navegación general ofrece una vista general de los objetos creados en
el área gráfica. Manteniendo pulsado el botón del ratón en la navegación
general se accede rápidamente a los objetos que se desean visualizar en
el área gráfica.
5. Área de tabla:
El área de tabla ofrece una vista general de los módulos utilizados con los
principales datos técnicos y organizativos.
6. Ventana de inspección:
La ventana de inspección muestra información relacionada con los
objetos seleccionados actualmente. En la ficha "Propiedades" de la
ventana de inspección se editan los ajustes de los objetos seleccionados.
7. Task Card "Catálogo de hardware":
El catálogo de hardware permite acceder rápidamente a los diversos
componentes de hardware. Los dispositivos y módulos necesarios para la
tarea de automatización se arrastran desde el catálogo de hardware hasta
el área gráfica de la vista de dispositivos.
2.4.3 CONFIGURAR LA INTERFAZ PROFINET DEL
CONTROLADOR
Para configurar el controlador desde la ventana de dispositivos y redes, se
procede del siguiente modo:
Se selecciona la interfaz PROFINET en la representación gráfica.
51
En la ventana de inspección aparecen las propiedades de la interfaz
PROFINET.
Figura 2. 13: Selección de la interfaz PROFINET.
Se introduce la dirección IP del controlador en la opción "Direcciones
Ethernet" de la ventana de inspección.
Figura 2. 14: Dirección IP del controlador.
52
Se guarda el proyecto haciendo clic en el icono "Guardar proyecto" de la
barra de herramientas.
2.4.4 AÑADIR UN MÓDULO DE ENTRADAS Y SALIDAS
ANALÓGICAS
Para añadir un módulo al controlador desde la ventana de dispositivos y
redes, se procede del siguiente modo:
1. Se Selecciona
el módulo a agregar desde el catálogo de
hardware.
Figura 2. 15: Selección del módulo.
2. Arrastrar el módulo hacia los slots a lado del PLC o dar doble clic
sobre el módulo.
53
Figura 2. 16: Módulo de I/O análogas.
2.4.5 CREAR EL PROGRAMA EN EL CONTROLADOR
Junto con el controlador, en el proyecto se crea automáticamente el
bloque de organización "Main [OB1]". En dicho bloque de organización se
creará a continuación el programa.
Para abrir el bloque de organización "Main [OB1]", se procede del
siguiente modo:
1. Se abre la carpeta "Bloques de programa" del árbol del proyecto.
54
Figura 2. 17: Bloques de programa.
2. Se abre el bloque de organización "Main [OB1]".
Figura 2. 18: Bloque de organización Main.
3. Se ha abierto el bloque de organización "Main [OB1]" en el editor
de programas, donde se desarrollará el programa.
55
Figura 2. 19: Ventana de programación (Main).
2.4.6 Configura una red MODBUS TCP/IP
La instrucción "MB_CLIENT" permite la comunicación como cliente
Modbus TCP a través de la conexión PROFINET de la CPU S7-1200.
Para utilizar esta instrucción no se requiere ningún módulo de hardware
adicional. La instrucción "MB_CLIENT" permite establecer una conexión
entre el cliente y el servidor, enviar peticiones y recibir respuesta y
controlar la desconexión del servidor Modbus TCP.
La red MODBUS TCP/IP se configura para realizar la comunicación entre
el PLC y la pantalla touch Red Lion.
Para configurar la red MODBUS TCP/IP se procede del siguiente modo:
1. De la barra de Instrucciones dirigirse a la pestaña comunicaciones
/Procesador de comunicaciones / MODBUS TCP y seleccionar
MODBUS CLIENT.
56
Figura 2. 20: Selección de MODBUSTCP/IP CLIENT.
2. Configurar los parámetros del bloque MB_CLIENT,
Figura 2. 21: Configuración de los parámetros MB_CLIENT.
57
La tabla siguiente muestra los parámetros de la instrucción "MB_CLIENT":
Tabla 2. 1: Parámetros de la instrucción "MB_CLIENT":
Parámetro
Declaración
Tipo de
datos
Descripción
Petición de comunicación con el
REQ
Input
BOOL
servidor Modbus TCP con flanco
ascendente.
Mediante este parámetro se
controla el establecimiento de la
conexión y la desconexión con
el servidor Modbus:

0: Establecer una
conexión de
DISCONNECT
Input
BOOL
comunicación con la
dirección IP y número de
puerto especificados.

1: Deshacer la conexión.
Durante la desconexión
no se ejecuta ninguna
otra función.
ID unívoca para identificar la
CONNECT_ID
Input
WORD
conexión. A cada instancia de
las instrucciones "MB_CLIENT"
y "MB_SERVER" debe
58
asignársele una ID de conexión
unívoca.
IP_OCTET_1
Input
BYTE
IP_OCTET_2
Input
BYTE
IP_OCTET_3
Input
BYTE
IP_OCTET_4
Input
BYTE
1. octeto de la dirección IP* del
servidor Modbus TCP.
2. octeto de la dirección IP* del
servidor Modbus TCP.
3. octeto de la dirección IP* del
servidor Modbus TCP.
4. octeto de la dirección IP* del
servidor Modbus TCP.
Número de IP y puerto del
servidor con el que el cliente
IP_PORT
Input
WORD
establece la conexión y con el
que se comunica mediante el
protocolo TCP/IP (valor
estándar: 502).
MB_MODE
Input
USINT
Selección del modo de petición
(lectura, escritura o diagnóstico).
Dirección inicial de los datos a
MB_DATA_ADDR Input
UDINT
los que accede la instrucción
"MB_CLIENT".
59
Longitud de datos: Número de
bits o palabras para el acceso a
MB_DATA_LEN Input
UINT
los datos (ver "Parámetros
MB_MODE y
MB_DATA_ADDR": longitud de
datos).
Puntero al registro de datos
Modbus: El registro es un búfer
para los datos recibidos desde
MB_DATA_PTR InOut
VARIANT
el servidor Modbus o que se van
a enviar al servidor Modbus. El
puntero debe remitir a un bloque
de datos o a un área de
memoria.
El bit del parámetro de salida
DONE
Out
BOOL
DONE se pone a "1" en cuanto
se ha ejecutado sin errores la
última petición.

0: No se está ejecutando
ninguna petición de
BUSY
Out
"MB_CLIENT "
BOOL

1: Petición de "MB_
CLIENT " en ejecución
ERROR
Out
BOOL
60

0: Ningún error

1: Con errores La causa
del error se indica
mediante el parámetro
STATUS.
STATUS
Out
BOOL
Código de error de la
instrucción.
2.4.7 Configurar Bloque de regulador PID.
Una regulación es necesaria siempre que una magnitud física
determinada, como el nivel, temperatura, presión o velocidad, deba tener
un valor determinado en el proceso y dicho valor pueda cambiar debido a
condiciones externas imprevisibles.
Para configura un regulador PID se procede del siguiente modo:
1. Agregar un bloque nuevo.
Figura 2. 22: Agregar un nuevo bloque.
61
2. Crear un OB de alarma cíclica con el nombre "PID". Asegurarse de
que la casilla de verificación "Agregar y abrir" esté activada.
Figura 2. 23: Bloque de alarma cíclica.
3. Abrir el bloque de alarma cíclica y crear el objeto tecnológico
"PID_Compact" en el primer segmento del bloque
62
Figura 2. 24: PID Compact.
4. Confirmar la creación del bloque de datos para el objeto
tecnológico "PID_Compact".
Figura 2. 25: Confirmación del PID Compact.
1. Asignar las variables correspondientes de setpoint, valor del
proceso, valor del control al PID Compact
63
Figura 2. 26: Asignación de variables del PID Compact.
2.4.8 CARGAR EL PROGRAMA AL CONTROLADOR.
Para cargar un proyecto, se procede del siguiente modo:
1. Iniciar el proceso de carga.
Figura 2. 27: Inicio del proceso de cargar.
64
2. Seleccionar la interfaz con la que se conectará el dispositivo.
Activar la casilla de verificación "Mostrar dispositivos accesibles".
En "Dispositivos accesibles en la subred de destino" se visualizan
todos
los
dispositivos accesibles
a través
de
la
interfaz
seleccionada. Seleccionar el controlador y cargar el programa de
usuario.
Figura 2. 28: Selección de la interfaz.
3. Si hay diferencias entre los módulos configurados y los módulos de
destino, activar la casilla de verificación correspondiente para
aplicar las diferencias. Clic en el botón "Cargar". Asegurase de que
la casilla de verificación "Continuar" esté activada.
65
Figura 2. 29: Comprobación antes de cargar.
4. Arrancar el módulo.
Figura 2. 30: Arranque del módulo.
66
2.5 PROGRAMACIÓN PANTALLA TOUCH SCREEN (RED
LION)
Para empezar a programar se necesita una PC instalado el software
Crimson 3.0, con sus respectivas librerías y herramientas listas para
utilizarlas y hacer el respectivo HMI.
La programación en Crimson 3.0 constituye un entorno de fácil manejo
para desarrollar, editar y simular el programa.
2.5.1 CREAR UN NUEVO PROYECTO
Los pasos siguientes muestran cómo crear un proyecto. En el proyecto se
guardan, de forma ordenada, los datos y programas que se generan al
crear una tarea. Para este ejemplo hay que abrir el Crimson 3.0. En el
portal de inicio se encuentran comandos para crear un proyecto nuevo o
abrir uno ya existente.
Para crear un proyecto nuevo, se procede del siguiente modo:
1. Iniciar Crimson 3.0.
2. Seleccionar el tipo de pantalla que se va a programar en este
caso la pantalla de la serie G306.
67
Figura 2. 31: Selección de la pantalla.
3. Se abrirá la ventana principal de Crimson la cual contiene 3
secciones.
Figura 2. 32: Ventana principal de Crimson.
68
1. EL PANEL DE NAVEGACIÓN:
La sección izquierda de la ventana se denomina panel de navegación. Se
utiliza para moverse por las diferentes categorías de ítems dentro de un
archivo de configuración de Crimson. Cada categoría se representa con
una barra en la base del panel, y al hacer clic sobre ella se navegará
hacia esa sección. La parte superior del panel de navegación muestra los
ítems disponibles en la categoría correspondiente y cuenta con una barra
de herramientas que permite manipular dichos ítems. Si desea agrandar
la parte superior, se puede seleccionar y arrastrar la línea que la divide de
las barras de categoría.
2. EL PANEL DE RECURSOS:
La sección derecha de la ventana se denomina panel de recursos. Se
utiliza para acceder a los diferentes ítems necesarios para editar la
categoría en cuestión. Igual que el panel de navegación, contiene un
número de categorías a las que es posible acceder por medio de las
barras de categorías. Los ítems de una categoría de recursos
determinada pueden ser arrastrados y liberados en los lugares donde
desea utilizarlos. Por ejemplo, una etiqueta de datos puede seleccionarse
en el panel de recursos y soltarse en un campo de configuración para
hacer que dicho campo sea dependiente del valor de la etiqueta
seleccionada. También es posible hacer doble clic en muchos ítems y así
configurar el campo en cuestión de acuerdo con ese ítem.
3. EL PANEL DE EDICIÓN:
La parte central de la ventana se utiliza para editar el ítem seleccionado.
En dependencia de la selección, puede contener ya una cantidad de
etiquetas, las cuales muestran un conjunto dado de propiedades
correspondientes a ese ítem, o contener un editor específico para el ítem
que se está editando.
69
Las principales categorías de una base de datos Crimson son las
siguientes
Figura 2. 33: Principales categorías de una base de datos.
1. COMUNICACIONES:
Esta categoría especifica qué protocolos deben utilizarse en los puertos
serie y Ethernet del dispositivo objetivo. En los casos en que se utilizan
protocolos máster (por ejemplo, protocolos en los que el hardware de Red
Lion inicia una transferencia de datos hacia y desde un dispositivo
remoto), también se puede utilizar este icono para especificar uno o más
dispositivos a los que se accederá. En los casos en que se utilizan
protocolos esclavos (por ejemplo, protocolos en los que el hardware de
Red Lion recibe y responde a solicitudes provenientes de otro sistema), se
puede especificar qué ítems de datos se expondrán a accesos de lectura
o escritura. También puede utilizar esta categoría para mover datos entre
dispositivos remotos mediante el convertidor de protocolos, con el fin de
configurar servicios y tarjetas de expansión.
70
2. ETIQUETAS DE DATOS:
Esta categoría define los ítems de datos que se utilizarán como datos de
acceso dentro de los dispositivos remotos, o que se utilizarán para
almacenar información dentro del dispositivo objetivo. Cada etiqueta tiene
una serie de propiedades, incluyendo datos de formato, los cuales
especifican cómo la información contenida en las etiquetas va a ser
mostrada en la pantalla del dispositivo o en otros contextos como páginas
web. Al especificar esta información dentro de las etiquetas, Crimson
elimina la necesidad de volver a introducir datos de formato cada vez que
se muestra una etiqueta. Entre otras propiedades más avanzadas de
etiquetas, se incluyen las alarmas, las cuales pueden activarse cuando se
generan diferentes condiciones relacionadas con las etiquetas. También
se incluyen los activadores, que realizan acciones programables cuando
se dan dichas condiciones.
3. PÁGINAS DE VISUALIZACIÓN:
Esta categoría se utiliza para crear y editar páginas de visualización. El
editor de páginas le permite mostrar diferentes ítems gráficos conocidos
como primitivas. Éstos van desde sencillos ítems como rectángulos y
líneas, hasta ítems más complejos que pueden relacionarse con el valor
de una etiqueta específica o con una expresión. Estas primitivas utilizan
de forma predeterminada la información de formato definida al crearse la
etiqueta; no obstante, esta información se puede invalidar si es necesario.
También puede utilizar el editor para especificar qué acciones se deben
realizar cuando las teclas o primitivas se presionan, se mantienen
presionadas o se liberan.
4. PROGRAMAS:
Esta categoría se utiliza para crear y editar programas utilizando el
lenguaje de programación tipo C, exclusivo de Crimson. Estos programas
71
pueden llevar a cabo complejas operaciones de toma de decisiones o
manipulación de datos, basadas en ítems de datos dentro del sistema.
Ellas tienen el rol de extender la funcionalidad de Crimson más allá de las
funciones estándares incluidas en el software, y así aseguran que se
puedan manejar hasta las aplicaciones más complejas. Los programas
pueden llamar a una serie de funciones de sistema, con el fin de realizar
operaciones comunes.
5. SERVIDOR WEB:
Esta categoría se utiliza para configurar el servidor web y para crear y
editar páginas web. El servidor web es capaz de facilitar acceso remoto al
dispositivo objetivo por medio de varios mecanismos. Primeramente,
puede utilizar Crimson para crear páginas web que contienen listas de
etiquetas, y presentan un formato acorde con las propiedades de la
etiqueta. En segundo lugar, puede crear un sitio web personalizado
empleando el editor HTML de un tercero, por ejemplo, Microsoft
FrontPage y, luego, incluir un texto especial para ordenarle a Crimson que
inserte valores de etiquetas en tiempo real. Finalmente, puede habilitar la
función exclusiva de Crimson de acceso y control remoto, la cual le
permite a un explorador o buscador web visualizar la pantalla del
dispositivo objetivo y controlar su teclado. El servidor web también se
puede utilizar para acceder a archivos CSV desde el registrador de datos.
6. REGISTRADOR DE DATOS:
Esta categoría se utiliza para crear y gestionar registros de datos, cada
uno de los cuales puede registrar cualquier cantidad de variables en la
tarjeta Compact Flash del dispositivo objetivo. Los datos se pueden
registrar a una velocidad de una vez por segundo. Los valores registrados
se almacenarán en archivos CSV (variable separada por coma, siglas en
inglés), los cuales se pueden importar fácilmente hacia aplicaciones como
Microsoft Excel. Se puede acceder a estos archivos intercambiando la
72
tarjeta CompactFlash, montando la tarjeta como unidad en el PC
conectado al puerto USB del dispositivo o mediante los servidores de web
o FTP de Crimson vía módem o puerto Ethernet.
7. SEGURIDAD:
Esta categoría se utiliza para crear y administrar los diferentes usuarios
del dispositivo objetivo, así como los derechos de acceso que se
conceden a cada uno. También se pueden facilitar los nombres reales de
los usuarios, lo cual permite que el registrador de seguridad refleje no sólo
los datos que han sido cambiados y cuándo, sino también quiénes lo han
hecho. Los derechos que se requieren para modificar una etiqueta en
particular o para acceder a una página, se establecen mediante las
propiedades de seguridad del ítem específico. También se pueden
establecer derechos para permitir o denegar el acceso al servidor web o
FTP.
2.5.2. CONFIGURAR UNA RED MODBUS TCP/IP SLAVE
La red MODBUS TCP/IP se configura para realizar la comunicación entre
el PLC y la pantalla touch Red Lion.
Para configura la red MODBUS TCP/IP SLAVE se procede del siguiente
modo:
1. En la barra de comunicaciones dirigirse a la barra “red”, configurar
el Ethernet 1, activar configuración manual, asignar una dirección
IP a la pantalla, una máscara de red, deshabilitar el DNS, habilitar
la comunicación full dúplex, habilitar a velocidad alta y el tamaño
máximo de segmento para enviar y recibir en 1280Kb como se
muestra en la siguiente figura.
73
Figura 2. 34: Configuración del puerto Ethernet 1.
2. Seleccionar protocolo 1 y elegir el control o tipo de red a realizar en
este caso una red MODBUS TCP/IP SLAVE
Figura 2. 35: Selección de la red MODBUS TCP/IP SLAVE.
74
3. Configurar el controlador del protocolo 1 como el puerto de TCP,
límite de sección, tiempo de espera para la conexión, etc.
Figura 2. 36: Configuración del controlador del protocolo 1.
4. Anadir un bloque para los registros a utilizar.
Figura 2. 37: Inserción de bloque en el software Crimson.
5. Configurar el bloque como el tipo y la dirección de los registro a
utilizar
75
Figura 2. 38: Selección del tipo datos del bloque.
6. Configurar el tamaño del bloque, si la dirección de los datos es
desde el PLC a la pantalla o de la pantalla al PLC asignar variables
a los registros.
Figura 2. 39: Configuración de los parámetros del bloque.
76
2.5.3. CREAR ETIQUETAS O VARIABLES
Las etiquetas son el tipo de variables que se utilizarán para guardar datos
y a su vez poder enviar y recibir estos datos por medio de las variables
asignadas a los registros.
Para crear una nueva etiqueta o variables proceda del siguiente modo:
1. En la barra de etiqueta de datos dirigirse a la opción nuevo y elegir
el tipo de etiqueta o variable a crear.
Figura 2. 40: Creación etiquetas.
2.5.4. DISEÑO DEL HMI
El HMI es la interfaz gráfica que interactúa con el usuario por lo cual
deben ser lo más intuitivos y amigables posibles, es decir la interface
humano máquina debe mostrar ni más ni menos la información y datos
necesarios referentes al sistema.
Para diseñar un HMI se procede del siguiente modo:
77
1. En la barra de páginas de visualización seleccionar una página y
en el panel de recursos seleccionar los símbolos a utilizar como por
ejemplo un botón, un indicador, etc.
Figura 2. 41: Insertar un símbolo.
2. Insertar nuevas páginas para desarrollar completo del HMI insertar
nuevos elementos como indicadores, etiquetas, ventanas de
tendencias, históricos, alarmas, usuarios etc.
Figura 2. 42: Desarrollo completo del HMI.
78
2.5.5. CARGAR EL PROGRAMA AL DISPOSITIVO.
Para cargar el programa en el dispositivo se procede del siguiente modo:
1. Seleccionar el puerto de comunicación de programación en
opciones de enlace en este caso se comunicará con un cable USB.
Figura 2. 43: selección del puerto de comunicación de programación.
2. Desde la opción de enlace seleccionar “enviar”, de este modo se
cargará el programa en el dispositivo.
Figura 2. 44: Enviar el programa a la pantalla Touch Screen.
79
CAPÍTULO 3
RESULTADOS Y PRUEBAS EXPERIMENTALES
3.1 DESCRIPCIÓN FÍSICA DEL SISTEMA.
El sistema consta de los siguientes materiales, dispositivos e instrumentos
para poder controlar un proceso de flujo de agua en un lazo de control:
Tanque de 45 litros (figura 3.1) es el recipiente el cual permite almacenar
y recircular el líquido (agua) del sistema.
Figura 3. 1: Tanque de almacenamiento de agua
Tubo de ¾ de pulgada PVC canal o conducto por donde circula el agua
en el proceso.
Bomba trifásica de 3 HP (figura 3.2) es una bomba de tipo centrifuga,
funciona con un motor trifásico que permite succionar el agua para hacer
circular por la tubería del sistema.
Figura 3. 2: Bomba centrifuga.
80
Variador de frecuencia MICROMASTER 440 (figura 3.3) dispositivo que
permite variar la velocidad del motor trifásico mediante la variación de la
frecuencia suministrada al motor, variando así el flujo de agua del
sistema, prácticamente es el actuador en el proceso siendo el elemento
que gobierna el funcionamiento de la bomba.
Figura 3. 3: Variador de frecuencia.
Para la operación del variador es necesario ingresar los parámetros del
motor a controlar y esto se logra gracias a un panel básico de operador
(BOP) mostrado en la figura 3.4.
Figura 3. 4: BOP (Basic Operator Panel).
Válvula controladora Es una válvula de control proporcional de presión
(figura 3.5), se encarga de regular el caudal de agua en la tubería, de esta
manera controlando el nivel de agua en la columna de nivel.
81
Figura 3. 5: Válvula de control proporcional de presión.
Conversor de corriente a presión (figura 3.6) Se encarga de convertir
una señal eléctrica de 4 – 20 mA a una señal neumática de 3 – 15 PSI.
Figura 3. 6: Conversor de corriente a presión.
Válvulas de tipo bola (figura 3.7) conocida también como de "esfera", es
un mecanismo que sirve para regular el caudal de un fluido canalizado del
sistema y se caracteriza porque el mecanismo regulador situado en el
interior tiene forma de esfera perforada.
Figura 3. 7: Válvula tipo bola.
82
Transmisor inteligente entregan una lectura real del nivel de agua del
sistema en una magnitud eléctrica normalizada en corriente para su
posterior procesamiento. En el sistema implementado consta de un
Transmisor de nivel tipo radar (figura 3.8)
Figura 3. 8: Transmisor de nivel.
Columna de nivel (figura 3.9) es un medidor de nivel de agua, el cual
entrega una medida física y visible del nivel instantáneo de agua en el
sistema.
Figura 3. 9: Columna de nivel.
83
Flujómetro o Rotámetro (figura 3.10) es un medidor de área variable
para flujo de agua, el cual entrega una medida física y visible del flujo
instantáneo de agua en el sistema.
Figura 3. 10: Rotámetro.
PLC (Autómata CPU-1214C) controlador lógico programable de la marca
Siemens mostrado en la figura 3.11, este autómata controla todo el
sistema y a la vez se comunica con la pantalla táctil, para que en ella se
pueda supervisar y monitorear el proceso.
Figura 3. 11: Autómata CPU 1214C.
Módulo de expansión (SM-1234) es el dispositivo que permite el vínculo
entre el autómata y cada uno de los dispositivos de campo a través de
este módulo mostrado en la figura 3.12 se origina el intercambio de
información en lectura y escritura de señales analógicas de corriente o
voltaje.
84
Figura 3. 12: Módulo de expansión.
Touch Screen (Pantalla táctil G306A figura 3.13) instrumento que
contiene una HMI de configuración y monitoreo de tal forma que sea un
vínculo entre el operador y el proceso controlado, la cual permite
centralizar la información del sistema, entregando al operador valores de
setpoint, parámetros de sintonización, curvas de proceso y alarmas.
Figura 3. 13: Pantalla táctil G306A.
3.2 PRUEBAS EXPERIMENTALES AL SISTEMA.
Una vez que se tiene todo el sistema programado, configurado y
ensamblado correctamente se procede a realizar las respectivas pruebas
del sistema funcionando completamente.
Dentro de estas pruebas se debe comprobar la adquisición de señal del
transmisor, que se encuentra configurado para trabajar en un rango de 20
85
a 60 cm y entregar una corriente de 4 a 20 mA en forma completamente
proporcional.
TRANSMISOR DE NIVEL TIPO RADAR.
Este transmisor entrega como resultado de su ajuste una señal de
corriente muy aceptable e instantánea de acuerdo al valor que se puede
ver mostrado en su HMI incorporado.
PLC S7-1200, MÓDULO DE I/O SM1234 Y TOUCH PANEL G306A.
Se analiza estos tres instrumentos en conjunto debido a que su
funcionamiento lo requiere, es decir se toma la señal proveniente del
transmisor y este se transmite hacia el PLC el cual procesa la señal y este
a su vez la transmite hacia la pantalla táctil que muestra los valores
tomados y la configuración para el controlador.
VARIADOR DE FRECUENCIA MICROMASTER 440.
Este dispositivo es comandado de forma manual o automática y es el
encargado de hacer variar la velocidad del motor trifásico con lo que se ve
reflejado en la variación del caudal de agua y el nivel de agua del sistema.
ACTUADOR NEUMÁTICO, CONVERSOR I/P
Este dispositivo funciona de forma automática, recibe una señal de 3-15
PSI desde el conversor I/P, el cuál convierte el valor de la corriente a
valores en presión, siendo esta la señal de control del actuador, este
dispositivo es el encargado de ir variando el llenado de la columna de
nivel del sistema.
86
3.3 FUNCIONAMIENTO EN LOS DISTINTOS MODOS DE
CONTROL.
Antes de configurar cualquier modo de control primero se debe realizar las
conexiones adecuadas para el funcionamiento del sistema.
Una vez realizadas las conexiones, se ingresa al sistema con un usuario,
existen dos tipos de usuario:

OPERADOR: el nombre de usuario es “operador” y su contraseña
“oper”, este usuario permite solo el monitoreo del sistema.

ADMINISTRADOR: el nombre de usuario es “administrador” y su
contraseña es “admin”, este usuario permite acceder a la
configuración completa del sistema, entre estas la configuración
del modo de control, configuración de alarmas, configuración del
SetPoint, etc.
Se debe iniciar el usuario ADMINISTRADOR ya que este usuario tiene
todos los privilegios del sistema.
El sistema tiene cuatro tipos de control que son:
1. Proporcional
2. Proporcional Derivativo
3. Proporcional Integral
4. Proporcional Integral Derivativo
3.3.1. CONTROL PROPORCIONAL
Para realizar este tipo de control se debe ingresar oprimiendo la opción de
CONTROL que se encuentra en el menú principal del HMI. Aparecerá una
pantalla más en la cual se encuentran los diferentes tipos de control,
elegir CONTROL PROPORCIONAL, y aparecerá una pantalla en la cual
se debe ingresar el valor de la constante proporcional Kp.
87
CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO
El control proporcional establece una relación lineal continua entre la
variable controlada y la posición del elemento final de control, de esta
manera la válvula de control o el variador de frecuencia conjunto con la
bomba centrifuga se moverán el mismo valor para cada unidad de
desviación.
Figura 3. 14: Forma de respuesta del control proporcional.
Al elegir este tipo de control se debe tener en cuenta que el proceso se
estabiliza y que además se puede reducir, pero NO eliminar el error en
estado estacionario.
Un valor demasiado alto puede transformar al sistema inestable (control
ON-OFF).
3.3.2 CONTROL PROPORCIONAL DERIVATIVO
En el HMI seleccionar la pantalla de CONTROL, aparecerá el menú de los
tipos de control y se seleccionará el control proporcional derivativo, en el
cual se debe ingresar el valor de Kp y Td.
88
Figura 3. 15: Forma de respuesta del control proporcional-derivativo.
CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO
Con este tipo de control se proporciona una mayor estabilidad relativa que
se traduce en una respuesta transitoria con menor sobre-impulso como se
puede ver en la figura 3.15. Sin embargo cuando la influencia de este
control es muy grande, se obtendrá una respuesta excesivamente lenta.
En esencia es un control anticipativo al error, tiende a ser inestable y es
sensible al ruido.
3.3.3 CONTROL PROPORCIONAL-INTEGRAL
En el HMI seleccionar la pantalla de CONTROL, aparecerá el menú de los
tipos de control y se seleccionará el control proporcional integral, en el
cual se debe ingresar el valor de Kp y Ti.
89
Figura 3. 16: Forma de respuesta del control proporcional-integral.
CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO
La suma de estos dos controles hace que se tenga una respuesta rápida
sin oscilaciones por la acción proporcional y una respuesta que lleve
exactamente al valor deseado por la acción integral (figura 3.16) teniendo
en cuanta que ésta última tiene una respuesta muy lenta si estuviese sola.
3.3.4 CONTROL PROPOCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO
En el HMI seleccionar la pantalla de CONTROL, aparecerá el menú de los
tipos de control y se seleccionará el control proporcional-integralderivativo, en el cual se debe ingresar el valor de Kp, Ti y Td.
90
Figura 3. 17: Forma de respuesta del control proporcional-integralderivativo.
CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO
En este tipo de control se tiene las características de los controles ya
mencionados, de forma que si varía la señal de error lentamente en el
tiempo predominará el control proporcional e integral y si la señal de error
varía rápidamente predominará la señal derivativa.
3.4 ANÁLISIS DE LAS CURVAS DE PROCESO.
Las curvas que van a ser analizadas fueron tomadas directamente de la
pantalla táctil, para de ésta forma poder observar directamente el
comportamiento del sistema en los distintos modos de control.
91
Figura 3. 18: Pantalla de las variables del proceso.
En la figura 3.18 se observan las variables del proceso, siendo en esta
pantalla en donde se puede ingresar e ir variando el valor del SP (set
point), observar como es el comportamiento del CV (variable de control)
para así alcanzar el valor de PV (variable del proceso), además se puede
observar cuando una alarma se dispara, desde la pantalla de la figura
3.18, se puede ir hacia la pantalla de tendencias, en donde se observarán
las gráficas correspondientes al control elegido, como así también a las
alarmas para poder aceptarlas y ver en qué valor se dispararon.
En las gráficas cada variable del proceso tiene designado un color para
así poder diferenciarlas en la figura 3.19 se observa que para el SP es
designado el color verde, para el PV el color azul y para el CV el color
amarillo.
92
Figura 3. 19: Pantalla de tendencias del proceso.
En la figura 3.19 se observa que el valor del CV es de 30, esto se deba a
que se está enviando el 30% de la corriente para que PV pueda llegar al
valor establecido del SP
3.4.1 Control Proporcional (P)
Para realizar el análisis de respuesta de este tipo de control, se ingresa el
valor de Kp en la pantalla de selección del tipo de control del proceso en
este caso en la pantalla de CONTROL PROPORCIONAL. Para la figura
3.20 y figura 3.21 se tiene los siguientes valores para la sintonización.
Tabla 3. 1. Valores ingresados para la sintonización del Control P
SP
Kp
PV
30
5.487
inestable
30
4.095
24
93
Figura 3. 20: Respuesta del sistema con un control proporcional con
Kp=5.487
Figura 3. 21: Respuesta del sistema con un control proporcional con
Kp=4.095
94
En la figura 3.21 se observa que el sistema se estabiliza a los 30
segundos existiendo un error de 6 cm en estado estacionario.
3.4.2 Control Proporcional Integral (PI)
Para el análisis de las curvas de respuesta del sistema con un control PI,
se toma en cuenta los parámetros de sintonización, como los que se han
ingresado en la figura 3.22.
Figura 3. 22: Pantalla para el ingreso de las constantes del control PI
Tabla 3. 2 Parámetros de sintonización del control PI
SP
Kp
Ti
PV
30
0.998
5.562
30
30
1.137
6.925
30
95
Figura 3. 23: Respuesta del sistema con un control PI
Como se puede observar en la figura 3.23 la respuesta del sistema es
estable y sin error, luego de haber transcurrido el Ti (tiempo integral)
ingresado tabla 3.2, la rapidez o lentitud de la respuesta del sistema es de
acuerdo a este tiempo y se debe tener en cuenta que mientras mayor sea
el Ti, el sistema se puede volver inestable además de lento.
En la figura 3.24 se varia la válvula V-6 siendo esta una perturbación y se
puede observar que el sistema se demora un tiempo mínimo en volver al
valor del Set Point.
96
Figura 3. 24: Respuesta del sistema con un control PI con una
perturbación
3.4.3 Control Proporcional Derivativo (PD)
Para realizar el análisis de curvas del sistema con un control PD se
configura los siguientes parámetros:
Tabla 3. 3 Parámetros de sintonización para un control PD
SP
Kp
Td
PV
30
2.548
0.974
22
30
4.095
1.817
24
30
5.517
1.232
inestable
97
Figura 3. 25: Respuesta del sistema con un control PD
En la figura 3.25 se puede observar que con este tipo de control se tendrá
un error en estado estable, propio de la acción de Kp pero así también
será estable por la característica de la suma del Td. Con este tipo de
control cuando se tiene una perturbación el proceso vuelve a estabilizarse
de una manera rápida.
3.4.4 Control Proporcional Integral derivativo (PID)
Cuando se elige el control PID se reúnen las características de los tres
tipos de control siendo esto una ventaja ya que se puede tener mayor
eficiencia y rapidez de respuesta del sistema. Para realizar este control se
utiliza los tres parámetros Kp, Ti, Td.
Tabla 3. 4. Parámetros de sintonización para un control PID
SP
Kp
Ti
Td
PV
30
0.998
6.925
1.396
30
98
30
1.059
6.925
1.568
30
30
1.137
6.925
1.817
30
Mediante el ingreso de los parámetros de la tabla 3.4 se obtiene un
control PID, en la figura 3.26 se observa que la respuesta del sistema es
rápida, estable y sin error, lo cual es necesario en un proceso industrial ya
que así se obtiene una respuesta eficiente.
Figura 3. 26: Respuesta del sistema con un control PID
En el sistema se aplicó una perturbación, apertura de la válvula de carga
(V-6), y se observa en la figura 3.27 que el sistema se vuelve a estabilizar
rápidamente, teniendo así un error por un tiempo mínimo, y luego de ello
el sistema vuelve a la normalidad.
99
Figura 3. 27: Respuesta del sistema con un control PID aplicando
una perturbación
3.4.5
Control
Proporcional
Integral
Derivativo
con
encendido de Alarmas
Cuando ya se sintonizó el sistema aplicando los parámetros de la tabla
3.4 entonces se cambió el valor del SP, a un valor bajo para que así se
pueda ver el funcionamiento del control más el encendido de las luces de
las alarmas. Como se observa en la figura 3.28, la respuesta del sistema
es rápida por la misma razón de que se está aplicando el control PID.
Llegado al valor del SP en un tiempo de 10 segundos.
100
Figura 3. 28: Respuesta del sistema con un control PID más las
alarmas
3.5 ALCANCE Y LIMITACIONES.
3.5.1 ALCANCES.
Los alcances que presenta el sistema son:

Es posible realizar el control del sistema con dos diferentes
actuadores ya sea la válvula proporcional o el variador de
frecuencia.

Es posible visualizar el comportamiento de la variable de proceso
en tiempo real y en el momento deseado sin necesidad de recurrir
a un registrador de papel.

Centraliza la información (Configuración y supervisión) en un
mismo punto provocando así una menor pérdida de concentración
y tiempo en el manejo del proceso.

Brinda la posibilidad de manejar cuatro estados de alarmas.

Flexibilidad para realizar cambios de programación ya sea en el
PLC o en la TOUCH SCREEN.
101

El módulo se puede poner en red con otros módulos y formar un
SCADA ya que esta implementada una red MODBUS TCP/IP.
3.5.2 LIMITACIONES
Las limitaciones que el sistema presenta son:

La columna de nivel tiene como longitud máxima 90cm, si se
supera este nivel puede haber desbordamiento.

Si se cerrara por completo las válvulas v-1 v-2 v-3 por un tiempo
prolongado puede existir desperfecto en la bomba centrifuga.

El sistema no puede trabajar con una alimentación eléctrica
monofásica de (110 Vac) ya que no le suministraría la suficiente
energía al variador de frecuencia para el funcionamiento del
sistema.
102
CAPÍTULO 4
CONCLUSIONES RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
Las conclusiones que se tienen al finalizar este proyecto son:

Se ha implementado un sistema de control de nivel de agua,
aplicando los conocimientos adquiridos durante la formación como
profesionales de la carrera permitiendo tener una visión general de
la estructura y etapas de un proceso.

La implementación de este sistema colabora con la mejor
formación de nuevos profesionales, quienes podrán fomentar sus
conocimientos de una forma más práctica, ya que con este sistema
se puede realizar diferentes modos de control, similares a los
procesos industriales.

En el módulo realizado se puede notar que intervienen algunos
campos de la ingeniería como son: Control de Procesos, Sistemas
SCADA, Instrumentación Industrial, Redes Industriales.

El
módulo
presentado
significa
una
buena
inversión
en
conocimiento y a la vez un gran ahorro económico ya que un
módulo de las mismas características tiene un costo muy elevado.

El HMI que cumple con las funciones de monitoreo, control y
supervisión del sistema de control de nivel de agua
realiza
satisfactoriamente con sus funciones, este fue realizado con el
software Crimson 3.0 propio de la Touch Screen Red Lion el cual
consta con un entorno de programación amigable y además facilita
la comunicación con el PLC Siemens S7-1200 con CPU-1214C
gracias a una red MODBUS TCP/IP.

Se integró al módulo dos elementos de control final (válvula
proporcional neumática y variador de frecuencia) los cuales son
103
seleccionados en el HMI para su funcionamiento, se ajustan muy
bien para realizar cualquier tipo de control con uno de ellos.

Uno de los elementos de control final es el variador de frecuencia
MICROMASTER 440 el cual se gobierna por medio del PLC y
presenta un resultado satisfactorio de operación garantizando así el
buen funcionamiento del proceso.

El otro elemento de control final es la válvula proporcional
neumática que es gobernada por el PLC pero con la intervención
de un conversor de corriente a presión para transformar la señal
eléctrica a señal neumática, de esta manera se garantiza el buen
funcionamiento del proceso.

Se pudo notar que el método de control de nivel de agua por
variación de velocidad es más eficiente que el método por
estrangulación de la válvula proporcional ya que el motor trifásico
cuando se varía la velocidad se reduce también el consumo
energético y disminuyendo así el costo de operación, mientras que
cuando se controla con la válvula el motor siempre trabaja a una
misma velocidad sin reducir el consumo energético, por lo cual el
control de de nivel de agua por variación de la velocidad tiene una
respuesta más rápida con respecto al control por estrangulación de
la válvula proporcional.

El PLC Siemens S7-1200 CPU-1214C se ajusta eficazmente al
proceso controlado ya que se puede configurar y manipular un lazo
de control PID de tal manera que se pueda comportar de un modo
de control específico, con solo anular las acciones reguladoras de
determinados términos en su algoritmo de control.

Mediante la utilización del calibrador Fluke-744, se realizó de una
forma rápida y sencilla los ajustes de los limites de medición del
transmisor de nivel tipo radar.
104

Se comprobó que para el proceso de nivel de agua implementado
se obtiene un control muy satisfactorio aplicado un control
Proporcional-Integral, ya que al ingresar el tiempo derivativo (Td) el
sistema requiere de un valor muy pequeño que puede fácilmente
obviarse si el proceso no está muy expuesto a perturbaciones.

La implementación del módulo además de complementar la
infraestructura del laboratorio de Redes Industriales y control de
procesos, posibilita al estudiante agrupar los conocimientos de
diferentes materias de la ingeniería, logrando así un nivel
académico muy competitivo.
4.2 RECOMENDACIONES

Se recomienda realizar unas instalaciones eléctricas idóneas para
el Laboratorio de Redes Industriales ya que es necesario para el
buen funcionamiento de los equipos que se utilizan.

Antes de empezar a manipular el módulo en la práctica de
laboratorio, se debe leer y consultar el manual de usuario con el fin
de manejar todos los recursos de proyecto implementado y evitar
daños graves o de difícil solución.

Se debe tener cuidado al realizar las conexiones de los dispositivos
ya que si estas tienen algún tipo de falla todo el sistema colapsará.

Es recomendable tener en cuenta que para las conexiones
neumáticas tanto internas como externas se usa la manguera color
azul, que tiene un diámetro interno de 6mm. No se puede utilizar
otra manguera ya que se podría dañar los elementos neumáticos.

Se recomienda realizar cambios ocasionales del agua que circula
por el sistema ya que por no ser un ambiente estéril esta podría
llenarse de impurezas que a su vez puedan ocasionar mal
funcionamiento del sistema.
105

Se recomienda la verificación de las válvulas ya que si todas las
válvulas del sistema están cerradas puede causar desperfecto a la
bomba, daños en la tubería y desbordamiento de agua en la
columna de nivel
106
BIBLIOGRAFÍA

CREUS Solé Antonio, “Instrumentación Industrial”, sexta edición,
Alfaomega, México, 1998.

Lee Y., Park S., Lee M. y Brosiliw C., “PID Controller Tunig for
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
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108
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109
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
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2013,
Disponible
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110
ANEXO A
GLOSARIO DE TÉRMINOS.
A
ACTUADOR. Es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica,
neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de
generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de
un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar
un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.
ANALÓGICO Se refiere a las magnitudes o valores que "varían con el
tiempo en forma continua" como la distancia y la temperatura, la
velocidad, que podrían variar muy lento o muy rápido como un sistema de
audio.
AUTOMATIZACIÓN. Es un sistema donde se trasfieren tareas de
producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un
conjunto de elementos tecnológicos.
AUTÓMATA. Máquina que imita la figura y los movimientos de un ser
animado.
AUTÓMATA PROGRAMABLE. Equipo electrónico programable en
lenguaje no informático y diseñado para controlar, en tiempo real y en
ambiente industrial, procesos secuenciales.
B
BASE DE DATOS. Es un conjunto de datos pertenecientes a un mismo
contexto y almacenados sistemáticamente en formato digital que ofrece
un amplio rango de soluciones al problema de almacenar datos para su
posterior uso.
111
BUSES DE CAMPO. Es un sistema de transmisión de información (datos)
que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y
equipamientos industriales utilizados en procesos de producción.
C
CAUDAL. En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que
pasa por el río en una unidad de tiempo.
CONFIGURAR. Adaptar una aplicación software o un elemento hardware
al resto de los elementos del entorno y a las necesidades específicas del
usuario. Es una tarea esencial antes de trabajar con cualquier nuevo
elemento.
D
DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO. Son pequeños componentes
electrónicos
activos
que
están
construidos
por
materiales
semiconductores, por los cuales se conduce corriente eléctrica y son
utilizados en la fabricación de circuitos integrados.
DIAFRAGMA. Elemento sensible formado por una membrana colocada
entre dos volúmenes, la membrana es deformada por la presión
diferencial que le es aplicada.
E
ELEMENTOS FINALES DE CONTROL. Es el instrumento que recibe las
señales del sistema tomadas por el controlador y las ejecuta directamente
sobre la variable controlada.
ESTADO ESTACIONARIO. Es aquel punto donde todas las variables en
términos per cápita efectivo permanecen constantes.
112
ERROR. Es la diferencia entre el valor leído del instrumento y el valor real
de la variable.
H
HMI. (Human Machine Interface) Interfaz Humano Máquina.
I
INSTRUMENTO. Es un dispositivo que se encarga de interpretar señales
proporcionales a la magnitud de la variable.
INTERFAZ DE USUARIO es el medio con que el usuario puede
comunicarse con una máquina, un equipo o una computadora, y
comprende todos los puntos de contacto entre el usuario y el equipo,
normalmente suelen ser fáciles de entender y fáciles de accionar.
M
MECANISMO. Es un conjunto de sólidos resistentes, móviles unos
respecto de otros, unidos entre sí mediante diferentes tipos de uniones,
llamadas pares cinemáticos (pernos, uniones de contacto, pasadores,
etc.), cuyo propósito es la transmisión de movimientos y fuerzas.
MICROPROCESADOR. Es el circuito integrado central y más complejo de
una computadora u ordenador; a modo de ilustración, se le suele asociar
por analogía como el "cerebro" de una computadora.
MODBUS. Es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7
del Modelo OSI.
P
PERTURBACIONES. Señal que afecta la respuesta real del sistema
produciendo un error en la medida, ejemplo los campos magnéticos, la
inductancia etc. según la sensibilidad individual.
113
PROCESOS. Es un desarrollo que es realizado por un conjunto de
elementos cada uno con ciertas funciones que gradual y progresivamente
producen un resultado final.
PID. Acción de control Proporcional-Integral-Derivativo.
PLC. (Programmable Logic Controller) Controlador Lógico Programable.
PSI. (Pounds per Square Inch) Libra-fuerza por pulgada cuadrada es una
unidad de presión en el sistema anglosajón de unidades.
PUERTOS DE COMUNICACIÓN. Es el elemento en donde se
intercambian datos con otro dispositivo.
R
RADAR (término derivado del acrónimo inglés radio detection and
ranging, “detección y medición de distancias por radio”) es un sistema que
usa ondas electromagnéticas para medir distancias, altitudes, direcciones
y velocidades de objetos estáticos o móviles.
S
SENSIBILIDAD: Es la entrada más pequeña que puede proporcionar una
salida especifica.
SEÑAL. Salida que emana del instrumento. Información representativa de
un valor cuantificado.
SET POINT. Punto en que una señal se establece bajo ciertos parámetros
deseados. Es un punto de consigna para valor de la señal de la variable.
SENSOR. Es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o
químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en
variables eléctricas.
114
SIMATIC es el nombre de un sistema de automatización que fue
desarrollado por la empresa alemana Siemens.
SISTEMA DE CONTROL: Es un conjunto de componentes que pueden
regular su propia conducta o la de otro sistema con la finalidad de obtener
un funcionamiento establecido.
SOFTWARE. Conjunto de programas que ejecuta un computador o PLC.
S7-1200. PLC de Siemens de la línea SIMATIC.
T
TIA. (Totally Integrated Automation) software de desarrollo de proyecto de
siemens
TRANSDUCTOR.
Dispositivo
que
recibe
una
o
varias
señales
provenientes de la variable medida y pueden modificarla o no en otra
señal.
V
VARIABLE. Es cualquier elemento que posee características dinámicas,
estáticas, química y físicas bajo ciertas condiciones, que constantemente
se pueden medir.
VARIABLE CONTROLADA. Es la variable directa a regular, sobre la que
constantemente se esta pendientes ya que afecta directamente al sistema
del proceso, es decir, es la que dentro del bucle de control es captada por
el transmisor para originar una señal de retroalimentación.
115
ANEXO B
HOJAS DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
SIMATIC S7-1200 CPU 1214C
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
MÓDULO DE SEÑALES ANALÓGICAS SM 1234
127
128
129
130
RED LION MODELO G3006A
131
132
133
134
135
TRANSMISOR DE NIVEL TIPO RADAR ROSEMOUNT 5402
136
137
138
139
TRANSDUCTOR DE CORRIENTE A PRESIÓN FISHER 846
140
141
142
143
144
BOMBA CENTRIFUGA THEBE 3HP
145
146
147
VARIADOR MICROMASTER 440
148
149
150
151
152
153
154
155
156
VÁLVULA NEUMÁTICA PROPORCIONAL BAUMANN
157
158
159
160
161
ANEXO C
PROGRAMACIÓN
BLOQUE DE PROGRAMACIÓN MAIN
162
163
164
165
166
167
168
169
BLOQUE DE PROGRAMACIÓN CYCLIC INTERRUPT
170
171
172
ANEXO D
GUÍAS DE PRÁCTICAS
173
PRÁCTICA Nº 1
TEMA:
CONTROL
PROPORCIONAL
CON
VARIADOR
DE
FRECUENCIA
OBJETIVOS:

El objetivo de esta práctica es introducir al alumno al manejo de
controladores del tipo de los que normalmente se encuentran en un
gran número de instalaciones en la industria de procesos. Esta
práctica constituye un paso más para conseguir el acercamiento
del alumno a la práctica industrial, con el fin de establecer el nexo
entre el desarrollo y diseño de controladores tipo proporcional y su
programación, implementación e interacción con un sistema real,
analizando todos los aspectos relacionados con la implementación
práctica.

Regular la variable nivel mediante el empleo de un control
proporcional que opera automáticamente sobre el elemento final
del lazo (variador de frecuencia).

Analizar el comportamiento del sistema y sintonizar el parámetro
adecuado del controlador proporcional (Kp) que produce una
disminución del error en la respuesta del sistema.

Entender las ventajas e inconvenientes de incluir diferentes valores
de la constante Kp a diferentes cambios de set point.
MARCO TEORICO:
La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la
constante proporcional como para que hagan que el error en estado
estacionario sea casi nulo, pero en la mayoría de los casos, estos valores
solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control,
siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin
embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a
174
partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a
los deseados. Este fenómeno se llama sobre oscilación y, por razones de
seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la
parte proporcional ni siquiera produzca sobre oscilación. Hay una relación
lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del
elemento final de control (la válvula se mueve al mismo valor por unidad
de desviación). La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto,
la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema
contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto
al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa,
en la figura se muestran las curvas de comportamiento del control
proporcional de acuerdo a su ganancia.
La fórmula del proporcional está dada por:
𝑃𝑠𝑎𝑙 = 𝐾𝑝.𝑒(𝑡)
Donde:
Psal: control proporcional de salida.
Kp: constante proporcional.
e(t): señal de error.
175
DESARROLLO:
Para
realizar la práctica en el módulo de nivel se deber realizar los
siguientes pasos:
1. Se realizan las conexiones del transmisor con las entradas del
modulo de señales analógicas del PLC, la pantalla táctil con el
PLC, el variador de frecuencia con las salidas del módulo de
señales analógicas en el panel frontal como se indica en la
siguiente figura.
2. Ajustar las válvulas del sistema. V-1 abierta, V-2 cerrada, V-3
abierta, V-4 regulación del flujo de agua (nunca cerrada al
100%), V-5 abierta, V-6 perturbación, V-7 regulación de vaciado
de la columna de nivel.
3. Encender el módulo y la bomba para que el sistema se
energice.
176
4. Iniciar un usuario para poder tener acceso a los parámetros en
este caso se iniciar el usuario “administrador” con la contraseña
“admin” en la pantalla táctil.
177
5. Iniciado el usuario, ir al menú principal
178
6. Seleccionar PROCESO, elegir el tipo de actuador a utilizar en
este caso el variador.
7. Fijar el Set Point (SP) deseado.
179
8. Regresar al menú
9. Seleccionar el tipo de control, en este caso un control
proporcional e ingresar el valor de la constate Kp.
180
10. Regresar a menú principal y seleccionar TENDENCIAS para
observar el comportamiento del sistema.
181
11. Si el sistema no se ha estabilizado repetir desde el paso 9
dando diferentes valores de la constate Kp y perturbaciones con
la válvula V-6 hasta que el sistema se estabilice, se debe tomar
en cuenta que el sistema tendrá un error de estado estable y si
se utiliza una constante Kp muy alta el control se convierte en
un control ON/OFF y será muy inestable.
12. Si el sistema se ha estabilizado con un error de estado estable,
se procede a definir los valores de las alarmas, se debe
regresar al menú principal, ahí se selecciona ALARMAS en esta
pantalla se ingresa los valores de las 4 alarmas.
182
13. Si se activará alguna alarma la pantalla parpadea, se activará
una alarma sonora y las lámparas indicadoras se encenderán
según la alarma activada.
183
14. Para hacer el reconocimiento de las alarmas activadas se lo
realiza desde la pantalla de ALARMAS.
15. Para ver todo el historial de los eventos ocurridos en el proceso
se debe dirigir desde el menú principal a la pantalla
HISTÓRICOS.
184
PRÁCTICA Nº 2
TEMA: CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL
DERIVATIVO (PID)
CON UN VARIADOR DE FRECUENCIA
OBJETIVOS:

El objetivo de esta práctica es introducir al alumno al manejo de
controladores del tipo de los que normalmente se encuentran en un
gran número de instalaciones en la industria de procesos. Esta
práctica constituye un paso más para conseguir el acercamiento
del alumno a la práctica industrial, con el fin de establecer el nexo
entre el desarrollo y diseño de controladores tipo proporcional
integral
derivativo (PID) y su programación, implementación e
interacción con un sistema real, analizando todos los aspectos
relacionados con la implementación práctica.

Regular la variable nivel mediante el empleo de un control
proporcional integral derivativo (PID) que opera automáticamente
sobre el elemento final del lazo (variador de frecuencia).

Analizar el comportamiento del sistema y sintonizar los parámetros
adecuados del controlador proporcional integral derivativos (KP, Ti,
Td) de manera que se cumplan los requisitos impuestos tanto en el
régimen transitorio como en el permanente.

Entender las ventajas e inconvenientes de incluir diferentes valores
de las constantes (Kp, Ti, Td) a diferentes cambios de set point.
MARCO TEORICO:
Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por
realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un
controlador PID corrige el error entre un valor medido y el valor que se
quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que
puede ajustar al proceso acorde. El algoritmo de cálculo del control PID se
185
da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo.
El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral
genera una corrección proporcional a la integral del error, esto asegura
que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se
reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el
error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al
proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de
control o la energía suministrada a una bomba. Ajustando estas tres
constantes en el algoritmo de control del PID, el controlador puede
proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a realizar. La
respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta del
control ante un error, el grado el cual el controlador llega al "setpoint", y el
grado de oscilación del sistema.
DESARROLLO:
Para
realizar la práctica en el módulo de nivel se deber realizar los
siguientes pasos:
1. Se realizan las conexiones del transmisor con las entradas del
modulo de señales analógicas del PLC, la pantalla táctil con el
PLC, el variador de frecuencia con las salidas del módulo de
señales analógicas en el panel frontal como se indica en la
siguiente figura.
186
2. Ajustar las válvulas del sistema. V-1 abierta, V-2 cerrada, V-3
abierta, V-4 regulación del flujo de agua (nunca cerrada al
100%), V-5 abierta, V-6 perturbación, V-7 regulación de vaciado
de la columna de nivel.
3. Encender el módulo y la bomba para que el sistema se
energice.
187
4. Iniciar un usuario para poder tener acceso a los parámetros en
este caso se iniciar el usuario “administrador” con la contraseña
“admin” en la pantalla táctil.
188
5. Iniciado el usuario, ir al menú principal
6. Seleccionar PROCESO, elegir el tipo de actuador a utilizar en
este caso el variador.
189
7. Fijar el Set Point (SP) deseado.
8. Regresar al menú
190
9. Seleccionar el tipo de control, en este caso un control
Proporcional Integral Derivativo e ingresar el valor de la
constate Kp y monitorear el comportamiento del sistema en la
pantalla de TENDENCIAS, modificar el valor de KP y dar
perturbaciones con la válvula V-6 hasta que el sistema se
estabilicé con un error de estado estable.
191
192
10. Si el sistema se ha estabilizado con un error de estado estable,
se procede a dar valores a la constante integral Ki desde la
pantalla de CONTROL, incrementado poco a poco hasta que el
sistemas
elimine el error de estado estable y dando
perturbaciones al sistema con la válvula V-6.
193
194
11. Cuando el error de estado estable sea eliminado, se procede a
dar valores a la constate derivativa Kd desde la pantalla de
CONTROL, incrementado poco a poco y dando perturbaciones
con la válvula V-6 hasta que la constate derivativa compense
rápidamente la perturbación evitando y adelantándose a los
cambios bruscos en el proceso.
195
12. Si el sistema ya se a sintonizado, se procede a definir los
valores de las alarmas, se debe regresar al menú principal, ahí
196
se seleccionan las ALARMAS en esta pantalla se ingresa los
valores de las 4 alarmas.
13. Si se activará alguna alarma la pantalla parpadea, se activará
una alarma sonora y las lámparas indicadoras se encenderán
según la alarma activada.
197
14. Para hacer el reconocimiento de las alarmas activadas se lo
realiza desde la pantalla de ALARMAS.
198
15. Para ver todo el historial de los eventos ocurridos en el proceso
se debe dirigir desde el menú principal a la pantalla
HISTÓRICOS.
199
PRÁCTICA Nº 3
TEMA:
CONTROL
PROPORCIONAL
CON
UNA
VÁLVULA
PROPORCIONAL NEUMÁTICA
OBJETIVOS:

El objetivo de esta práctica es introducir al alumno al manejo de
controladores del tipo de los que normalmente se encuentran en un
gran número de instalaciones en la industria de procesos. Esta
práctica constituye un paso más para conseguir el acercamiento
del alumno a la práctica industrial, con el fin de establecer el nexo
entre el desarrollo y diseño de controladores tipo proporcional y su
programación, implementación e interacción con un sistema real,
analizando todos los aspectos relacionados con la implementación
práctica.

Regular la variable nivel mediante el empleo de un control
proporcional que opera automáticamente sobre el elemento final
del lazo (válvula proporcional neumática).

Analizar el comportamiento del sistema y sintonizar el parámetro
adecuado del controlador proporcional (Kp) que produce una
disminución del error en la respuesta del sistema.

Entender las ventajas e inconvenientes de incluir diferentes valores
de la constante Kp a diferentes cambios de set point.
MARCO TEORICO:
La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la
constante proporcional como para que hagan que el error en estado
estacionario sea casi nulo, pero en la mayoría de los casos, estos valores
solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control,
siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin
embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a
200
partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a
los deseados. Este fenómeno se llama sobre oscilación y, por razones de
seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la
parte proporcional ni siquiera produzca sobre oscilación. Hay una relación
lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del
elemento final de control (la válvula se mueve al mismo valor por unidad
de desviación). La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto,
la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema
contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto
al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa,
en la figura se muestran las curvas de comportamiento del control
proporcional de acuerdo a su ganancia.
La fórmula del proporcional está dada por:
𝑃𝑠𝑎𝑙 = 𝐾𝑝.𝑒(𝑡)
Donde:
Psal: control proporcional de salida.
Kp: constante proporcional.
e(t): señal de error.
201
DESARROLLO:
Para
realizar la práctica en el módulo de nivel se deber realizar los
siguientes pasos:
1. Se realizan las conexiones del transmisor con las entradas del
modulo de señales analógicas del PLC, la pantalla táctil con el
PLC, el variador de frecuencia y el conversor de corriente a
presión con las salidas del módulo de señales analógicas, la
conexión neumática entre la válvula y el conversor de corriente
a presión en el panel frontal como se indica en la siguiente
figura.
2. Ajustar las válvulas del sistema. V-1 abierta, V-2 abierta, V-3
cerrada, V-4 regulación del flujo de agua (nunca cerrada al
202
100%), V-5 abierta, V-6 perturbación, V-7 regulación de vaciado
de la columna de nivel.
3. Encender el módulo y la bomba para que el sistema se
energice.
4. Iniciar un usuario para poder tener acceso a los parámetros en
este caso se iniciar el usuario “administrador” con la contraseña
“admin” en la pantalla táctil.
203
5. Iniciado el usuario, ir al menú principal
204
6. Seleccionar PROCESO, elegir el tipo de actuador a utilizar en
este caso la válvula.
205
7. Fijar el Set Point (SP) deseado.
8. Regresar al menú
9. Seleccionar el tipo de control, en este caso un control
proporcional e ingresar el valor de la constate Kp.
206
10. Regresar a menú principal y seleccionar TENDENCIAS para
observar el comportamiento del sistema.
207
11. Si el sistema no se ha estabilizado repetir desde el paso 9
dando diferentes valores de la constate Kp y perturbaciones con
la válvula V-6 hasta que el sistema se estabilice, se debe tomar
en cuenta que el sistema tendrá un error de estado estable y si
208
se utiliza una constante Kp muy alta el control se convierte en
un control ON/OFF y será muy inestable.
12. Si el sistema se ha estabilizado con un error de estado estable,
se procede a definir los valores de las alarmas, se debe
regresar al menú principal, ahí se selecciona ALARMAS en esta
pantalla se ingresa los valores de las 4 alarmas.
209
13. Si se activará alguna alarma la pantalla parpadea, se activará
una alarma sonora y las lámparas indicadoras se encenderán
según la alarma activada.
210
14. Para hacer el reconocimiento de las alarmas activadas se lo
realiza desde la pantalla de ALARMAS.
15. Para ver todo el historial de los eventos ocurridos en el proceso
se debe dirigir desde el menú principal a la pantalla
HISTÓRICOS.
211
PRÁCTICA Nº 4
TEMA: CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL
DERIVATIVO (PID)
CON UNA VÁLVULA PROPORCIONAL NEUMÁTICA
OBJETIVOS:

El objetivo de esta práctica es introducir al alumno al manejo de
controladores del tipo de los que normalmente se encuentran en un
gran número de instalaciones en la industria de procesos. Esta
práctica constituye un paso más para conseguir el acercamiento
del alumno a la práctica industrial, con el fin de establecer el nexo
entre el desarrollo y diseño de controladores tipo proporcional
integral
derivativo (PID) y su programación, implementación e
interacción con un sistema real, analizando todos los aspectos
relacionados con la implementación práctica.

Regular la variable nivel mediante el empleo de un control
proporcional integral derivativo (PID) que opera automáticamente
sobre el elemento final del lazo (válvula proporcional neumática).

Analizar el comportamiento del sistema y sintonizar los parámetros
adecuados del controlador proporcional integral derivativos (KP, Ti,
Td) de manera que se cumplan los requisitos impuestos tanto en el
régimen transitorio como en el permanente.

Entender las ventajas e inconvenientes de incluir diferentes valores
de las constantes (Kp, Ti, Td) a diferentes cambios de setpoint.
MARCO TEORICO:
Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por
realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un
controlador PID corrige el error entre un valor medido y el valor que se
quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que
puede ajustar al proceso acorde. El algoritmo de cálculo del control PID se
212
da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo.
El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral
genera una corrección proporcional a la integral del error, esto asegura
que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se
reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el
error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al
proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de
control o la energía suministrada a una bomba. Ajustando estas tres
constantes en el algoritmo de control del PID, el controlador puede
proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a realizar. La
respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta del
control ante un error, el grado el cual el controlador llega al "setpoint", y el
grado de oscilación del sistema.
DESARROLLO:
Para
realizar la práctica en el módulo de nivel se deber realizar los
siguientes pasos:
1. Se realizan las conexiones del transmisor con las entradas del
modulo de señales analógicas del PLC, la pantalla táctil con el
PLC, el variador de frecuencia y el conversor de corriente a
presión con las salidas del módulo de señales analógicas, la
conexión neumática entre la válvula y el conversor de corriente
a presión en el panel frontal como se indica en la siguiente
figura.
213
2. Ajustar las válvulas del sistema. V-1 abierta, V-2 abierta, V-3
cerrada, V-4 regulación del flujo de agua (nunca cerrada al
100%), V-5 abierta, V-6 perturbación, V-7 regulación de vaciado
de la columna de nivel.
3. Encender el módulo y la bomba para que el sistema se
energice.
214
4. Iniciar un usuario para poder tener acceso a los parámetros en
este caso se iniciar el usuario “administrador” con la contraseña
“admin” en la pantalla táctil.
215
5. Iniciado el usuario, ir al menú principal
6. Seleccionar PROCESO, elegir el tipo de actuador a utilizar en
este caso la válvula.
216
7. Fijar el Set Point (SP) deseado.
8. Regresar al menú
217
9. Seleccionar el tipo de control, en este caso un control
Proporcional Integral Derivativo e ingresar el valor de la
constate Kp y monitorear el comportamiento del sistema en la
pantalla de TENDENCIAS, modificar el valor de KP y dar
perturbaciones con la válvula V-6 hasta que el sistema se
estabilicé con un error de estado estable.
218
219
10. Si el sistema se ha estabilizado con un error de estado estable,
se procede a dar valores a la constante integral Ki desde la
pantalla de CONTROL, incrementado poco a poco hasta que el
sistemas elimine el error de estado estable y dando
perturbaciones al sistema con la válvula V-6.
220
221
11. Cuando el error de estado estable sea eliminado, se procede a
dar valores a la constate derivativa Kd desde la pantalla de
CONTROL, incrementado poco a poco y dando perturbaciones
con la válvula V-6 hasta que la constate derivativa compense
rápidamente la perturbación evitando y adelantándose a los
cambios bruscos en el proceso.
222
12. Si el sistema ya se ha sintonizado, se procede a definir los
valores de las alarmas, se debe regresar al menú principal, ahí
223
se selecciona ALARMAS en esta pantalla se ingresa los valores
de las 4 alarmas.
13. Si se activará alguna alarma la pantalla parpadea, se activará
una alarma sonora y las lámparas indicadoras se encenderán
según la alarma activada.
224
14. Para hacer el reconocimiento de las alarmas activadas se lo
realiza desde la pantalla de ALARMAS.
225
15. Para ver todo el historial de los eventos ocurridos en el proceso
se debe dirigir desde el menú principal a la pantalla
HISTÓRICOS.
226
ANEXO E
MANUAL TÉCNICO DE POSIBLES FALLAS Y SOLUCIONES
FALLAS
SOLUCIONES

EL módulo didáctico no
enciende.
Verificar si existe energía de
alimentación para el módulo.

Verificar las conexiones al
sistema.

Verificar e interruptor de red.

Verificar si el relé térmico
que se encuentra dentro del
módulo
esta
activado
o
resetearlo.

El PLC no enciende.
Verificar si el interruptor del
PLC
que
dentro
se
del
encuentra
módulo
esta
encendido.

Revisar
las
conexiones
internas de alimentación del
PLC.

Verificar si el fusible del PLC
que se encuentra dentro del
módulo
se
encuentre
en
perfectas condiciones.

La pantalla táctil no enciende.
Verificar si el interruptor de
la pantalla que se encuentra
dentro
227
del
módulo
esta
encendido.

Verificar si la fuente de
alimentación de 24 Vdc está
funcionando correctamente.

Verificar si el fusible de la
fuente de 24 Vdc que se
encuentra dentro del módulo
se encuentre en perfectas
condiciones.

El trasmisor de nivel tipo radar
no enciende.
Verificar
las
externas
al
conexiones
costado
del
módulo.

Verificar si la conexión en el
panel frontal sea correcta.

Verificar si la fuente de
alimentación de 24 Vdc está
funcionando correctamente.

Verificar si el fusible de la
fuente de 24 Vdc que se
encuentra dentro del módulo
se encuentre en perfectas
condiciones.

La válvula proporcional
neumática no funciona.
Verificar
si
existe
señal
neumática proveniente del
conversor
de corriente a
presión.

Verificar
si
existe
alimentación de aire de 20
PSI en el conversor
228

Verificar
si
alimentación
de
existe
aire
al
módulo verificando si está
conectada la manguera de
suministro de aire al módulo.

Verificar si las conexiones
entre la salida analógica de
corriente
(4-20mA)
al
conversor en el panel frontal
son correctas.

Verificar
si
existe
señal
eléctrica entre la salida de
corriente y el conversor.

La válvula proporcional
Verificar que la válvula V-3
neumática no controla de
se encuentre cerrada y que
manera correcta.
la válvula V-2 se encuentre
abierta.

Verificar si la alimentación
de aire es suficiente.

Verificar en la pantalla táctil
si
esta
seleccionado
el
control por válvula.

La bomba centrifuga no
funciona.
Verifica si el interruptor de
la bomba en el panel frontal
esta encendido.

Verificar si el variador de
frecuencia no tiene ningún
estado de alerta.

229
Verificar los fusibles de la
bomba que se encuentra
dentro del módulo.

Verificar si el variador de
frecuencia está alimentado
por 220Vac.

Verificar si el rotor de la
bomba no está remordido.

Verificar
entre
las
el
conexiones
variador
frecuencia
y
la
centrifuga
este
en
de
bomba
buen
estado.

Verificar el interruptor de
local o remoto y la posición
del potenciómetro.

Verificar si las conexiones
entre la salida analógica de
voltaje (0-10V) al variador de
frecuencia en el panel frontal
son correctas.

Verificar
si
existe
señal
eléctrica entre la salida de
voltaje
y el
variador
de
frecuencia.

La bomba centrifuga no controla
de forma correcta.
Verificar que la válvula V-2
se encuentre cerrada y que
la válvula V-3 se encuentre
abierta.

Verificar en la pantalla táctil
si
230
esta
seleccionado
el
control por variador.

La pantalla táctil no registra las
curvas del proceso.
Verificar si el cable Ethernet
entre el PLC y la pantalla
táctil este bien conectado.

Verificar si el PLC está en
modo RUN.

No existe flujo de agua en las
tuberías.
Verifica
que
todas
la
válvulas estén abierta.

Verificar el nivel de agua en
el tanque reservorio.

El nivel de agua en la columna
de nivel no disminuye.
Verificar que la válvula de
desfogue V-7 este abierta.

El nivel de agua en la columna
de nivel no incrementa.
Verificar que la válvula de
llenado de la columna V-5
este abierta.

No funciona ninguna operación
del sistema.
Verificar si el cable Ethernet
entre el PLC y la pantalla
táctil este bien conectado.

Verificar si el PLC está en
modo RUN.

Volver a cargar desde una
PC los programas diseñados
para cada dispositivo.
231
AUTORÍA
Latacunga, Noviembre del 2013
ELABORADO POR:
David Narváez V.
APROBADO POR:
Ing. José Bucheli
DIRECTOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA E
INSTRUMENTACIÓN
CERTIFICADO POR:
Dr. Rodrigo Vaca
SECRETARIO ACADÉMICO
UNIDAD ADMISIÒN Y REGISTRO
232
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

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