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 Desired Closed-Loop Response for SI/SO”, AIChE J., 44 (1), 106115 (2004) Manual del sistema de automatización S7-1200 MORRIS Alan S “Principios de medición e instrumentación” primera edición, Pearson Educación, México, 2002. Ógata K., Ingeniería de Control Moderna, Cuarta Edición. Editorial Prentice Hall Internacional, Madrid, España (1978) Whan Sung S., Lee Tai-yog y Park S.“Optimal PID Controller Tuning Method for Single-Input /Single.-Output”,AICHE Journal ,Vol 48, (6), 1358 -1361 (2004). ENLACES ELECTRÓNICOS Interfaz HMI. [En línea]. Recuperado el 09 de marzo del 2013, Disponible en Web: <http://iaci.unq.edu.ar/materias/laboratorio2/HMI/Introduccion%20H MI.pdf>. 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 > Módulos de señales. [En línea]. Recuperado el 19 de julio del 2013, Disponible en 107 Web: <http://i01.i.aliimg.com/photo/v2/460433135/_font_b_SIEMENS_b_f ont_font.jpg_120x120.jpg > Módulos de señales integradas [En línea]. Recuperado el 19 de julio del 2013, Disponible en Web: <http://www.appliedc.com/images/S7%20parts.jpg > 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> “Interfaz profinet integrada”. [En línea]. Recuperado el 21 de julio del 2013, Disponible en Web: <http://www.automation.siemens.com/mcms/programmable-logiccontroller/en/simatic-s7-controller/s7-1200/PublishingImages/s71200_cpu1217.jpg> 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 > 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>. 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 > 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> 108 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> 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> Transmisor de nivel radar sin contacto. [En línea]. Recuperado el 03 de agosto del 2013, Disponible en Web: <http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Rosem ount%20Documents/00813-0109-4026.pdf> Transmisor de nivel radar. [En línea]. Recuperado el 03 de agosto del 2013, Disponible en Web: <http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Rosem ount%20Documents/00813-0109-4026.pdf> Principio de medición. [En línea]. Recuperado el 03 de agosto del 2013, Disponible en Web: <http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Rosem ount%20Documents/00813-0109-4026.pdf> Curva de puertos dobles. [En línea]. Recuperado el 03 de agosto del 2013, Disponible en Web: <http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Rosem ount%20Documents/00813-0109-4026.pdf> Válvula de Compuerta. [En línea]. Recuperado el 04 de agosto del 2013, Disponible en <http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml> 109 Web: Válvula de bola. [En línea]. Recuperado el 04 de agosto del 2013, Disponible en Web: <http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml> 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%20Pne umatic-Assisted_Valve.html> 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-controlvalve-actuator-system-description/14722-86416-_2.html> Módulo de presión. [En línea]. Recuperado el 04 de agosto del 2013, Disponible en Web:< http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/4993/1/T-ESPEL0861.pdf> Módulo de flujo de agua. [En línea]. Recuperado el 04 de agosto del 2013, Disponible en Web:< http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/4035/1/T-ESPEL0797.pdf> 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
* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project
advertisement
© 2021