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• Luis Alberto Sosa Vilca

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ SECCIÓN DE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA

IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control

Periodo: 2019.I

LABORATORIO

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Control de Procesos Industriales CONTENIDO:

     

OBJETIVOS MATERIALES Y EQUIPOS SOFTWARE DE APLICACIÓN FUNDAMENTO TEÓRICO PRÁCTICA DE LABORATORIO INFORME PREVIO

1. OBJETIVOS.  Reconocer el proceso y la instrumentación de cada Planta Modelo del Laboratorio de Control y familiarizarse con sus diagramas P&ID.  Determinar y validar experimentalmente el modelo matemático de alguna de las mencionadas plantas mediante técnicas de identificación.  Sintonizar los parámetros de configuración del algoritmo PID en el controlador industrial ABB ControlMaster CM50 mediante técnicas heurísticas.

2. MATERIALES Y EQUIPOS.  Plantas Modelo de control de procesos industriales (flujo, temperatura, nivel, presión).  04 Controladores Industriales ABB ControlMaster CM50.  04 Registradores Industriales ABB SM500F.  04 Válvulas Neumáticas Proporcionales.  01 Sensor de Flujo.  05 Sensores de Temperatura (PT100).  01 Sensor de Nivel.  01 Sensor de Presión.  04 Transductores de Corriente (4-20 mA) a Presión (3-15 PSI).  01 Compresor de aire (externo).

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3. SOFTWARE DE APLICACIÓN.  Data Manager: Complemento de MS Excel para importar datos del registrador.  Microsoft Excel: Para manipular la data obtenida del registrador.  MATLAB/Simulink: Simulación de los modelos en lazo abierto y cerrado.

4. FUNDAMENTO TEÓRICO. 4.1. Objetivos del Control de Procesos. Los objetivos principales del control de procesos son los siguientes:    

Mantener las variables importantes de un proceso en valores deseados. Aumentar la eficiencia de los procesos mejorando la respuesta transitoria. Disminuir la sensibilidad a las perturbaciones. Evitar la inestabilidad de procesos críticos que podrían ocasionar daños e incluso algún accidente.

4.2. Estructura Básica de los Sistemas de Control. Un sistema de control esta compuesto por variados equipos, los cuales se pueden agrupar de la siguiente manera: controladores, actuadores y sensores. Dichos equipos se comunican entre ellos mediante señales físicas continuas (corriente, voltaje, presión, etc.) y/o de manera digital según protocolos de comunicación alámbrica o inalámbrica. Como se muestra en la siguiente figura, los equipos se disponen formando un lazo de control retroalimentado.

Fig. 1. Diagrama de Bloques de un Sistema de Control en Lazo Cerrado: Componentes y Señales Involucradas.

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A continuación, se presenta una breve descripción de los principales componentes que intervienen en los sistemas de control de procesos:  Proceso: Operación o secuencia de operaciones que involucra un fenómeno físico o químico (cambio de energía, estado, composición, dimensión, etc.). Ejemplo: Proceso de calentamiento de un fluido.  Sensor (Elemento Primario): Es el elemento que captura una señal física del proceso y la convierte en una señal eléctrica. Ejemplos: Barómetro, Sensor de Flujo, Termocupla.  Transmisor: Es el elemento encargado de recibir la señal eléctrica del sensor y convertirla en una señal estándar analógica o digital. Este elemento incluye toda la circuitería necesaria para el acondicionamiento de la señal cruda entregada por los sensores.  Controlador: Es el elemento que determina la acción que debe ser tomada sobre el proceso. Utilizando la señal recibida del transmisor y basándose en algoritmos de control, determina la acción que debe ejecutar el actuador. Ejemplo: Controlador Industrial con Algoritmo Proporcional Integral Derivativo (PID).  Actuador (Elemento Final): Es el elemento que recibe la señal generada por el controlador e interactúa con el medio físico del proceso. Ejemplos: Válvulas proporcionales, resistencias eléctricas, motores. A continuación, definimos las principales señales involucradas en los sistemas de control de procesos:  Variable de Proceso (PV): Representa la variable más importante del proceso y es la propiedad física que se desea controlar. Esta variable es medida por un sensor. Ejemplo: Presión, nivel, temperatura, flujo. En Inglés: PROCESS VARIABLE.  Punto de Ajuste (SP): Es el valor deseado de la variable de proceso. El controlador utiliza este valor como referencia y lo compara con el valor de la variable de proceso para generar la señal de control. En Inglés: SET POINT.  Variable ó Señal de Control (O): Es la señal de salida del controlador y se utiliza para que el actuador interactúe con el proceso. Ejemplo: Apertura de una válvula proporcional. En Inglés: OUTPUT.  Perturbaciones: Son todas las variables externas no manipulables que pueden afectar la variable del proceso. Ejemplos: Condiciones ambientales, variaciones de la presión de suministro de aire, obstrucciones en el flujo, etc.

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. En resumen, un Sistema de Control en Lazo Cerrado trabaja de la siguiente manera: La Variable de Proceso (PV) es continuamente medida a través de un Sensor/Transmisor. El controlador recibe esta señal y la compara con el Punto de Ajuste (SP). Dependiendo de la diferencia existente entre estas dos señales (SP-PV), el controlador determina una acción de control, la cual se basa en un algoritmo (usualmente PID). El actuador recibe la señal de control (O) del controlador y según el valor de esta, interacciona con el Proceso. El ciclo se repite de manera periódica.

4.3. Representación de Procesos Industriales: Diagramas P&ID. La instrumentación industrial estudia los equipos utilizados para la automatización de procesos industriales. La integración de los equipos (sensores, actuadores, controladores y elementos auxiliares) se representa gráficamente mediante diagramas P&ID (diagramas de tuberías e instrumentación) en donde se utilizan símbolos normados por ISA (Sociedad de Instrumentistas de América). Los diagramas de tuberías e instrumentación (P&ID) son de mucha utilidad para tener un claro entendimiento del funcionamiento de un proceso industrial dado que incluye información importante sobre los elementos empleados en el lazo de control (tipo, función, ubicación, conexionado) y las tuberías (diámetro, nombre, material, fluido que transportan, aislamiento, etc.). 4.3.1 Símbolos de Instrumentos. Los diagramas P&ID utilizan símbolos, letras, líneas especiales y números de identificación para representar los instrumentos. La descripción simbólica de los instrumentos nos debe indicar el tipo, localización y función de cada instrumento. En la siguiente tabla se muestran algunos símbolos utilizados: Tabla 1. Símbolos de Instrumentos en Diagramas P&ID

CAMPO

TABLERO (ACCESIBLE )

Instrumento Discreto, Aislado Instrumento Compartido. Sistema de Control Distribuido. Computador Controlador Lógico Programable (PLC)

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TABLERO (DENTRO)

TABLERO (AUXILIAR)

PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. 4.3.2 Etiquetas ó TAGs de Instrumentos. Cada instrumento puede ser identificado mediante una etiqueta o TAG que va dentro del símbolo del instrumento. Cada TAG está compuesto de dos partes. La primera parte identifica la función del instrumento y está formada por letras según la norma ISA (ver Tabla 2). La segunda parte suele ser información codificada del área de la planta. Tabla 2. Letras de Identificación Funcional de Instrumentos. Primera Letra Letra A B C D E F G H I J K L M N O P

Variable Análisis Combustión Conductividad, concentración Densidad, Peso especifico Voltaje Flujo Calibre Manual Corriente Eléctrica Potencia Tiempo Nivel Humedad

Presión o Vacío

Q R S T U V W X Y

Cantidad Radiactividad Velocidad o frecuencia Temperatura Multivariable Viscosidad Peso o Fuerza Libre a elección Evento, Estado, Presencia

Z

Posición

Letras Sucesivas Lectura o Función Pasiva Alarma Regulación (ON-OFF)

Función de Salida

Letra de Modificación

Control

Sensor Vidrio Alarma de alta Indicación (indicador) Estación de Control Luz Piloto

Alarma de baja Medio o intermedio

Libre a elección Orificio Punto de prueba o conexión Registro Interruptor Transmisor Multifunción Válvula

Multifunción Vaina Libre a elección

Libre a elección Relé. Conversor Actuador, Manejador

Multifunción

Libre a elección

Ejemplos de etiquetas de instrumentos: FIC / 101: TR / 201: LV / 301: PE / 401:

Controlador e Indicador que pertenece a un lazo de control de Flujo. Área 101. Registrador que pertenece a un lazo de control de Temperatura. Área 201. Válvula que pertenece a un lazo de control de Nivel. Área 301. Sensor que pertenece a un lazo de control de Presión. Área 401.

4.3.3 Líneas y Señales. Las líneas indican la forma en que se interconectan los diferentes instrumentos y tuberías dentro de un lazo de control. Las líneas que representan señales pueden ser de diferentes tipos dependiendo de la naturaleza de la señal (ver tabla 3).

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. Tabla 3. Tipos de Líneas para Representar Señales ENLACE MECÁNICO

PROCESO, ALIMENTACIÓN SEÑAL INDEFINIDA

ENLACE INFORMÁTICO

SEÑAL ELÉCTRICA (USA)

SEÑAL ELÉCTRICA DIGITAL (USA)

SEÑAL ELÉCTRICA (EU)

SEÑAL ELÉCTRICA DIGITAL (EU)

SEÑAL NEUMÁTICA

SEÑAL NEUMÁTICA DIGITAL **

SEÑAL HIDRÁULICA SEÑAL ELECTROMAGNÉTICA ACÚSTICA

TUBO CAPILAR SEÑAL ELECTROMAGNÉTICA ACÚSTICA

Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación de los instrumentos: AS: Alimentación de aire. ES: Alimentación eléctrica. GS: Alimentación de gas. HS: Alimentación hidráulica.

NS: Alimentación de nitrógeno. SS: Alimentación de vapor. WS: Alimentación de agua.

Como se ha podido ver en la tabla anterior, existen varios tipos de señales. Las señales de transmisión más utilizadas en la industria son las señales neumáticas y eléctricas. Las señales hidráulicas se utilizan en aplicaciones de alta potencia, y las telemétricas (ondas de radio) cuando se debe cubrir grandes distancias. Para el caso de las señales eléctricas y neumáticas se tienen los siguientes rangos estándar: Tabla 4. Rangos Estándar para las Señales Eléctricas y Neumáticas SEÑALES NEUMÁTICAS

3 – 15 psi

0.2 – 1 bar

SEÑALES ELÉCTRICAS

4 – 20 mA

1–5V

0 – 20 mA

0 – 10 V

-10 – +10 V

4.3.4 Válvulas de Control. Las válvulas son elementos finales de control. Realizan la función de variar el flujo del fluido que pasa por la tubería donde la válvula está instalada. Las válvulas se comportan como orificios de área variable. La abertura del orificio suele ser regulada de forma manual o a través de accionamiento neumático.

La válvula tiene dos componentes principales: el actuador y el cuerpo. El actuador convierte la señal de entrada en un desplazamiento lineal o rotacional de un elemento obturador, el cual es trasladado al cuerpo para permitir un mayor o menor paso de flujo del fluido. En caso de no haber señal de accionamiento en la válvula, esta adopta una posición específica por defecto (cerrada o abierta en fallo). IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control

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MANUAL DE PERILLA

MANUAL DE PALANCA

SOLENOIDE

MOTOR ROTATIVO

NEUMÁTICA CON MUELLE

NEUMÁTICA PROPORCIONAL

CILINDRO DE SIMPLE EFECTO

CILINDRO DE DOBLE EFECTO

VÁLVULA EN GENERAL

VÁLVULA DE GLOBO

VÁLVULA DE MARIPOSA

VÁLVULA DE DIAFRAGMA

VÁLVULA DE 3 VÍAS

VÁLVULA DE 4 VÍAS

VÁLVULA ANGULAR

OBTURADOR ROTATIVO VÁLVULA DE BOLA

ABRE EN FALLO (NO)

CIERRA EN FALLO (NC)

SE BLOQUEA EN FALLO

INDETERMINADA EN FALLO

ACCIÓN

CUERPOS

ACTUADORES

Tabla 5. Símbolos para las Válvulas de Control

4.3.5 Convertidores de Señales. Realizan el cambio de un tipo de señal a otra. Dicha conversión debe definirse en la esquina superior derecha del símbolo teniendo en cuenta las siguientes letras: I E P H F

: CORRIENTE : VOLTAJE : PRESION NEUMÁTICA : PRESIÓN HIDRÁULICA : FRECUENCIA

Ejemplo:

Conversor de una señal de corriente a presión dentro de un lazo de control de flujo. Área 101.

4.3.6 Ejemplo de Lectura de un Diagrama de Instrumentación (P&ID). En la figura 2 se muestra el diagrama P&ID de un intercambiador de calor. En este equipo industrial, el objetivo es calentar un fluido hasta una cierta temperatura deseada. El calentamiento se efectúa por transferencia de calor desde un fluido mucho más caliente, comúnmente vapor de agua saturado. El número de identificación del lazo es 101. Con este número y la primera letra identificadora (T) sabemos que el propósito primario de este lazo es el control de temperatura. Los instrumentos presentes en el lazo son: un sensor de temperatura (TE), un transmisor de temperatura (TT), un controlador-indicador (TIC) y una válvula de compuerta de diafragma con muelle (TV). Como elemento accesorio se tiene un transductor o conversor de corriente a presión (TY I/P). Cada una de estas funciones es designada por la segunda o tercera letra del código de identificación. IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control

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Fig. 2. Ejemplo de un diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID)

El sensor, el transmisor y el convertidor están montados en campo, esto se indica con la ausencia de una línea horizontal dentro del círculo. La línea dentro del círculo del controlador indica que este instrumento puede ser accedido por el operador en la sala de control. Por la simbología de líneas concluimos que el sensor está conectado al proceso por medio de un tubo capilar. La línea punteada indica que la señal del transmisor hacia el controlador es de tipo eléctrica. La señal que sale del controlador es enviada al conversor I/P que convierte la señal eléctrica en una señal neumática estándar. Este a su vez envía una señal al elemento final que en este caso resulta ser una válvula. Al observar la dirección de la flecha en el símbolo de la válvula, concluimos que “cierra en fallo”.

4.4 Obtención Experimental del Modelo Matemático de un Proceso: Identificación de Sistemas. Identificar un proceso significa obtener un modelo matemático del proceso a través de una experiencia. En el caso de procesos industriales es común utilizar el método de la prueba del escalón en lazo abierto. Este método consiste en excitar el proceso con una entrada tipo escalón unitario (ejemplo: apertura brusca de la válvula) y registrar su respuesta (presión, flujo, etc.). Dependiendo del tipo de dinámica obtenida (primer o segundo orden, con o sin retardo, sobre o sub-amortiguado), se encuentran los parámetros que definen la función de transferencia, es decir el modelo matemático del proceso. Para esto se utilizan las fórmulas que se muestran a continuación (u: entrada, y: salida). IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control

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4.4.1. Proceso de Primer Orden sin Retardo Puro:

4.4.2. Proceso de Primer Orden con Retardo Puro :

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. 4.4.3. Proceso Sub-amortiguado de Segundo Orden :

4.4.4. Proceso Sobre-amortiguado de Segundo Orden :

4.4.5 Proceso con Integradores:

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4.5 Controladores Industriales y Sintonización. Los controladores industriales están basados en un microprocesador que nos proporciona la implementación de un algoritmo de control digital. El algoritmo de control más utilizado en los controladores industriales es el PID (ProporcionalIntegral-Derivativo) debido a su sencillez, facilidad de sintonización y robustez. 4.5.1. Algoritmo PID. Este algoritmo de control tiene una estructura relativamente simple, la cual puede ser fácilmente comprendida e implementada en la práctica. Además, tiene una excelente fiabilidad y versatilidad en el control de sistemas dinámicos, principalmente lineales de primer y segundo orden, mediante el ajuste sencillo de sus parámetros, lo que establece un comportamiento estable en el proceso.

Fig. 3. Controlador PID

La ecuación del algoritmo PID está compuesta de tres tipos de acción: proporcional, integral y derivativa. Cada acción de control tiene un efecto diferente y característico. KP: CONSTANTE PROPORCIONAL KI : CONSTANTE INTEGRATIVA KD: CONSTANTE DERIVATIVA TI 

KP , KI

TD 

KD KP

t  de(t )  1  uPID (t)  K P e(t )   e(t )dt  TD  TI 0 dt   

KP: GANANCIA (GAIN) TI: TIEMPO INTEGRATIVO (RESET) TD: TIEMPO DERIVATIVO (RATE)

En los controladores industriales los parámetros del PID se denominan: GAIN, RESET y RATE. GAIN representa la constante proporcional (KP), alternativamente se puede encontrar este parámetro como Banda Proporcional (PB) la cual se expresa como 100/KP en unidades porcentuales, RESET representa el tiempo integral (TI) y RATE el tiempo derivativo (TD). Asimismo, debido al hecho de que los controladores industriales utilizan microprocesadores, en la práctica estos utilizan la ecuación del algoritmo PID en su versión discreta:

Donde T: Tiempo de muestreo. IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control

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4.5.2. Métodos de Sintonización. La sintonización de los controladores industriales se puede realizar mediante técnicas heurísticas (prueba y error), con las cuales se determina valores adecuados para los parámetros del algoritmo PID. Notaremos que cada tipo de proceso tiene un comportamiento diferente, por lo que no existen valores universales adecuados para los parámetros y de hecho se espera que en cada proceso los valores de estos sean considerablemente distintos. En la siguiente tabla se muestran rangos de los valores obtenidos en diferentes procesos, que pueden ser utilizados de manera referencial. Tabla 6. Valores Referenciales de los Parámetros del algoritmo PID. KP Nivel de Liquido Temperatura Flujo Presión de Liquido Presión de Gas Cromatógrafo

[MIN]

TD [MIN]

10 2-15 0.1 0.005-0.5 0.1-50 10-120

0.25 0.02-0.1 0.1-20

TI

< 1.0 0.2 - 0.6 1.5 0.5 - 5.0 0.01 - 0.5 1.0 - 20.0

Una sintonización adecuada de los parámetros del controlador debe ser realizada a través de métodos sistemáticos. La mayoría de estos métodos se basan en los resultados de la curva de reacción (respuesta en lazo abierto del proceso para una entrada tipo escalón), es decir, se basan en el modelo identificado experimentalmente a través de las tablas presentadas en la sección 4.4. A continuación se describen los principales métodos de sintonización: 

Método de Ziegler-Nichols en Lazo Abierto.

El método de Ziegler-Nichols en Lazo Abierto es el más difundido. Los resultados de este método se deducen a partir de un sistema de primer orden con retardo puro que tiene una tasa de decaimiento de ¼.

Tabla 7. Método de ZIEGLER-NICHOLS en Lazo Abierto. KP



P

PI

PID



  K  Td   0 .9   K  Td   1.2   K  Td

* VALIDO PARA

PROCESOS CON

TI

TD



0

 3Td

0

 2Td

 0.5Td

   K  Td   0.5

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

Método de Cohen-Conn (lazo abierto). Tabla 8. Método de COHEN-CONN KP

 Td      1    K  Td  3      Td       0.9   12    K  Td    Td      1. 3    4   K  Td  

P

PI

PID



TI

TD



0

 2 30  Td  3  Td   9    20  Td  2 32  Td  6  Td   13    8  Td

0  4  Td   11    2  Td

Método de Chien-Hrones-Reswick (lazo abierto). Tabla 9. Método de CHIEN-HRONES-RESWICK 0% DE SOBRE IMPULSO

P

PI

PID



20% DE SOBRE IMPULSO

KP

TI

TD

0 .3     Td 0.35     Td 0 .6     Td



0

 1.2 

0



 0.5  Td



KP

TI

TD

0 .7     Td 0 .6     Td 0.95     Td



0





0

 1.4 

 0.47  Td

Otros Métodos en Lazo Abierto. Tabla 10. Otros métodos en lazo abierto KP ISE

IAE

ITAE

 0.89711 1.1907         K  Td   0.76167 0.98089          K  Td   1.0640 0.77902         K  Td 

TI

 0.9584  Td      0.7987     1.05211   Td      0.91032     0.70949  T     d  1.14311    

TD

   Td 0.54766         Td  0.59974         Td 0.57137     

  

0.87798

  

0.89819

1.03826

  

ISE: INTEGRAL DEL ERROR AL CUADRADO IAE: INTEGRAL DE ERROR ABSOLUTO DEL ERROR ITAE: INTEGRAL DE ERROR ABSOLUTO DEL ERROR POR EL TIEMPO



Método de Ziegler-Nichols en Lazo Cerrado.

El método de Ziegler-Nichols en Lazo Cerrado no utiliza la curva de reacción sino la sensibilidad del proceso a un controlador puramente proporcional.

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Tabla 11. Método de ZIEGLER-NICHOLS en Lazo Cerrado. KP P

0.5  K u

PI

0.45  Ku

PID

0.6  Ku

TI   Tu 1.2  Tu 2

TD

0 0  Tu 8

Fig. 4. Método de ZIEGLER-NICHOLS en Lazo Cerrado



Sintonización Práctica del Controlador.

La sintonización práctica del controlador industrial se lleva a cabo usualmente con colaboración de operadores expertos con amplia experiencia de trabajo con la planta en cuestión a fin de encontrar los parámetros que proporcionen la mejor respuesta.

Fig. 5. Respuesta del proceso tras modificar el parámetro GAIN

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A continuación algunas reglas de sintonización práctica que pueden ser útiles: 1. Anule las acciones de control del algoritmo, configurando los parámetros de la siguiente forma: GAIN = 0, RESET = inf y RATE = 0. En caso de existir parámetros previamente configurados, tomar nota de dichos valores. 2. Active el modo automático del controlador (lazo cerrado), cambie el SET POINT y coloque un valor de GAIN pequeño (ejemplo: 0.02) de tal forma que se consiga disminuir el error. 3. Cambie el SET POINT e incremente progresivamente el GAIN hasta que el error disminuya a una velocidad adecuada. 4. El RESET es el tiempo de reset que incrementa la ganancia del lazo del proceso en bajas frecuencias y es usado para anular el error en estado estable ante señales de referencia tipo escalón. Disminuya el valor de RESET hasta minimizar el error en estado estable del proceso. 5. El RATE aumenta la ganancia del lazo proceso en altas frecuencias. Es usado para aumentar la velocidad de respuesta del proceso. Incremente progresivamente el valor del RATE hasta lograr la velocidad de respuesta adecuada.

5. PRÁCTICA DE LABORATORIO. 5.1

Reconocimiento de las Plantas Modelo.

5.1.1 Planta Modelo de Control De Flujo. En esta planta se controla el flujo de agua que pasa por una tubería. Una bomba es la encargada de generar el movimiento del fluido y una válvula proporcional de accionamiento neumático se encarga de restringir el paso de agua. El flujo de agua es medido, en primer lugar, por un rotámetro y luego por un sensor electromagnético de flujo. TAREA: Utilice el diagrama P&ID que se presenta a continuación, interprételo y haga el reconocimiento de los siguientes equipos y enumere las posibles perturbaciones.    

  

Bomba de agua. Rotámetro. Sensor de flujo. Válvula neumática proporcional.



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Controlador industrial. Registrador industrial. Transductor de corriente a presión. Llaves y tuberías.

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Fig. 6. P&ID de la Planta modelo de control de FLUJO

5.1.2 Planta Modelo de Control De Temperatura En esta planta se controla la temperatura del agua a la salida de un intercambiador de calor. Una bomba proporciona un flujo de agua de un tanque de agua caliente. La temperatura del agua de este tanque es regulada a través de un sistema de resistencias eléctricas. Una segunda bomba proporciona un flujo de agua fría al intercambiador de placas. La temperatura transferida es controlada por una válvula proporcional que regula el ingreso de agua caliente al intercambiador.

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. TAREA: Utilice el diagrama P&ID que se presenta a continuación, interprételo y haga el reconocimiento de los siguientes equipos y enumere las posibles perturbaciones.     

  

Bombas de agua. Rotámetros. Sensores de temperatura (PT-100) Amplificador de potencia. Resistencia eléctrica.

 

Controlador industrial. (doble lazo) Registrador industrial. Transductor de corriente a presión. Válvula neumática proporcional. Llaves y tuberías.

CONTROL DE TEMPERATURA DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN 1-5VDC

TET 201

4-20mA

Manómetro LET 201

TIC

TIR

201

201 4-20mA

Presostato I E 4-20mA

TY 201

4-20mA I P

FY 202

Tanque de agua caliente

FI 201

1-5VDC 4-20mA

TIC

TIR

202

202 4-20mA

3-15psi

Variador de frecuencia

Indicador FI Turbina 202 FV 202

TT 201 TT 202

A

FIT 202

E FI 202

B

F

TT 201

TT 201

C D TANQUE SUMINISTRO DE AGUA FRÍA

TANQUE DRENAJE

Alimentación de agua fría

Fig 7. P&ID de la Planta modelo de control de TEMPERATURA IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control

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Drenaje

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5.1.3 Planta Modelo de Control de Nivel. En esta planta se controla el nivel de agua dentro de un tanque elevado, mediante una válvula neumática proporcional que regula el ingreso de agua por la parte superior. En la parte inferior se cuenta con unas válvulas manuales para drenaje. Note que el máximo caudal de agua ingresada (válvula totalmente abierta) tiene que ser mayor que el caudal de drenaje, para que el sistema sea controlable. TAREA: Utilice el diagrama P&ID que se presenta a continuación, interprételo y haga el reconocimiento de los siguientes equipos y enumere las posibles perturbaciones.    

  

Bomba de agua. Rotámetro. Sensor de nivel. Válvula neumática proporcional.



Controlador industrial. Registrador industrial. Transductor de corriente a presión. Llaves y tuberías.

Fig. 8. P&ID de la Planta modelo de control de NIVEL IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. 5.1.4 Planta Modelo de Control de Presión. En esta planta se controla la presión de aire dentro de un tanque con agua, mediante una válvula neumática proporcional que regula el ingreso de aire a dicho tanque. El aire pasa primero por un rotámetro, luego por la válvula neumática y finalmente al tanque con agua, donde se mide la presión interior. El escape de aire se regula mediante la válvula manual. TAREA: Utilice el diagrama P&ID que se presenta a continuación, interprételo y haga el reconocimiento de los siguientes equipos y enumere las posibles perturbaciones.    

  

Bomba de agua. Rotámetro. Sensor de presión. Válvula neumática proporcional.



Controlador industrial. Registrador industrial. Transductor de corriente a presión. Llaves y tuberías.

Fig. 9. P&ID de la planta modelo de control de PRESIÓN IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control

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5.2 Consideraciones Iniciales.   

5.3

Verificar que la compresora se encuentra encendida. Encender las plantas modelo con las llaves termo-magnéticas del tablero de distribución. Abrir la llave de ingreso de aire comprimido para los equipos de las plantas modelo.

Puesta en Marcha de las Plantas Modelo.

5.3.1 Planta Modelo de Control de Flujo. 1. Llene el reservorio de agua hasta la mitad mediante la válvula de alimentación de agua. 2. Verifique que las válvulas A, B, C y D estén abiertas. 3. Encienda la bomba de agua. 4. Encienda el controlador y el registrador industrial. Planta Modelo de Control de Temperatura. 1. Llene el tanque de suministro de agua fría hasta la mitad mediante la válvula de alimentación de agua fría. 2. Verifique que el tanque de agua caliente se encuentre lleno. 3. Verifique que las válvulas A, B, C estén abiertas y que las válvulas D, E, F estén cerradas. 4. Encienda las bombas de agua. 5. Encienda el amplificador de potencia de la resistencia eléctrica. 6. Encienda el controlador y el registrador industrial. Planta Modelo de Control de Nivel. 1. Llene el reservorio de agua hasta la mitad mediante la válvula de alimentación de agua. 2. Verifique que las válvulas A, B, C y D estén abiertas. 3. Encienda la bomba de agua. 4. Encienda el controlador y el registrador industrial. Planta Modelo de Control de Presión 1. Llene el reservorio de agua hasta la mitad mediante la válvula de alimentación de agua. 2. Verifique que la válvula A esté abierta y B parcialmente abierta. IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. 3. Encienda el controlador y el registrador industrial.

5.4. Configuración de las Plantas Modelo. 1. Verifique que las conexiones eléctricas de la planta modelo estén correctas. 2. Revise la configuración del controlador ABB CM50 con ayuda del JP. 3. Revise la configuración del registrador ABB SM500 con ayuda del JP.

5.5. Obteniendo la Curva Estática del Proceso La curva estática nos servirá para determinar el rango lineal del proceso. Se determina en lazo abierto, fijando la señal de entrada del proceso en un valor constante (O = cte.) y midiendo el valor de la salida del proceso cuando alcance su estado estable (PV = cte.). Para esto siga los siguientes pasos: 1. Coloque el controlador ABB CM50 en modo manual, presionado la tecla 2. Mediante las teclas “” y “”, coloque el valor de la variable “O” con los valores mostrado en la siguiente tabla y anote los valores de la variable “PV”. O ( ui ) 0% 5% 10 %

PV ( y i)

90% 95 % 100 %

O = 0:5:100; %Genera O PV = [ ]; % Agrega datos en PV plot(O,PV); % Grafica O vs PV

3. Grafique la curva estática (O vs. PV) en MATLAB con los resultados obtenidos, y determine el rango lineal del proceso según su consideración. RANGO LINEAL (O) = desde .........% hasta .........% RANGO LINEAL (PV) = desde .........% hasta .........%

5.6. Identificación del Proceso En la sección 4.4., se revisaron varias técnicas para la identificación de procesos. Escoja alguna de ellas que sea adecuada según su criterio para obtener un modelo matemático del proceso. 1. Inserte una memoria SD en el registrador industrial SM500F. Para esto requiere liberar la puerta del registrador.

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. , seleccione la opción “Registro” del menú de operador y

2. Presione la tecla

luego la tecla . Seleccione “En línea” para comenzar a grabar los datos del proceso. Debe observar como el ícono de la tarjeta de memoria cambia de color gris a verde . 3. Verifique que el controlador CM50 este en modo manual. 4. Mediante las teclas “” o “”, cambie el valor de la variable “O” al menor valor del rango lineal elegido. 5. Espere hasta que el valor de la variable “PV” se encuentre en estado estable. 6. Rápidamente, mediante las teclas “” o “”, cambie el valor de la variable “O” al mayor valor del rango lineal definido, de tal forma que se asemeje a una entrada escalón (dejar pulsada la tecla de subida o bajada por unos instantes para conseguir un incremento progresivamente más rápido de la señal de control). 7. Para terminar la grabación de datos: Presione la tecla

, seleccione la opción

“Registro” del menú de operador y luego la tecla . Finalmente, seleccione “Fuera de línea” para terminar la grabación. Debe observar como el ícono de la tarjeta de memoria cambia de color verde a gris . 8. Extraiga la tarjeta SD del registrador industrial e insértela en una PC. 9. Ejecute DataManager Pro y seleccione File

Import Archives Files.

10. Seleccione la ruta de la memoria y haga Click en Import. 11. De la barra de herramientas seleccione Chart

Create Chart.

12. En Add Trace, seleccione el registrador SM500F poniendo un check a su lado. 13. Tras confirmar la lectura de los canales, presionar OK para mostrar la gráfica. 14. A fin de trabajar con un rango limitado de datos adquiridos, seleccione de la barra la opción Edit

Go To Fixed Range.

15. En el cuadro que se abre seleccione el intervalo de tiempo con el que desea trabajar. 16. Seleccione el botón proceso.

Export to Excel para crear una hoja con los datos del

17. Importe los datos al MATLAB usando el comando XLSREAD, y grafique la respuesta en lazo abierto del proceso a una entrada escalón (t vs. O y PV).

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. curvas= xlsread('archivo.xls'); t=[0:0.1:(length(curvas)-1)*0.1]'; plot(t,curvas); legend('PV','O'); xlabel('t [seg]'); ylabel('[%]'); grid minor

18. De los gráficos obtenidos determine el modelo del proceso, es decir construya la función de transferencia G(s) de dicho modelo. 19. Utilizando la función de transferencia determinada, ingrese el siguiente diagrama a SIMULINK para la simulación del proceso en lazo abierto. Compruebe la respuesta de la función de transferencia ante una entrada tipo escalón (en la figura se muestra un modelo a manera de ejemplo).

5.7 Sintonización del Controlador PID. En la sección 4.5.2., se revisaron varios métodos para la sintonización de controladores PID. Aquí se va a elegir uno para sintonizar el controlador del proceso. 1. Seleccione un método de sintonización para determinar las constantes Kp, Ti y Td, mediante los parámetros de la función de transferencia (sección 4.5.2.). 2. Utilizando las constantes KP, TI y TD, del controlador PID, determine KP, KI y KD 3. Utilizando las constantes KP, KI y KD, determinadas, ingrese el siguiente diagrama a SIMULINK para la simulación del proceso en lazo cerrado. Compruebe la respuesta del proceso con el controlador PID, a una entrada escalón.

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. 4. Ingrese los valores de las constantes KP, TI y TD recién determinadas al controlador CM50. Recordar que el controlador recibe como parámetros la Banda Proporcional BP (100/Kp), así como los tiempos Ti y Td en segundos. Presionar en el controlador el botón y seleccionar usando las teclas “” y “” la opción “Acceder a modo config.”. En esta ventana elegir Nivel de Acceso Básico. 5. Dentro del nivel básico, seleccionar PID y modificar los parámetros del algoritmo usando las teclas “” y “”. No olvidar tomar nota de los parámetros previamente configurados. 6. Realizar cambios en set point dentro del rango lineal elegido para observar el desempeño del controlador. Realizar pruebas complementarias activando perturbaciones en cada una de las plantas.

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