universidad simón bolívar núcleo del litoral departamento...
Post on 22-Feb-2020
3 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Universidad Simón Bolívar
Núcleo del Litoral Departamento de Tecnología Industrial
TI-2284. Laboratorio de Sistemas de Control
PRACTICA 7a. Introducción a las plantas del laboratorio de Sistema de
Control
Control de Presión
Descripción de la Planta:
Esta planta está compuesta por dos módulos, El módulo G35 y el
Módulo TY35, los cuales se describen a continuación, Ver figura 1.
Figura 1: Módulo G35.
En la parte superior derecha se encuentran ubicados los bornes para la
conexión de los voltajes de polarización requeridos por el módulo G35. A
la derecha se localizan los bornes para la conexión de la unidad
TY35/EV.
• Set Point: Este bloque genera la señal de SET POINT o de
referencia, la cual puede ir de 0 hasta 8V. Como puede verse en
la figura 2, esta etapa está constituida por R1, R2, RV1, C1 y el
circuito regulador Z1, el cual suministra la tensión estabilizadora de
referencia de 8V requerida en la etapa “CONDITIONER”.
Figura 2: Set Point.
• Amplificador de Error: El bloque “Error Amplifier” está constituido
por el circuito de la figura 3. Como se puede observar, está
constituido básicamente por un amplificador operacional en
configuración diferencial. Su finalidad es generar una señal de
Error durante el proceso en malla cerrada, por esta razón se
conecta a una de las entradas del amplificador la señal de
referencia (salida del bloque SET POINT) y a la otra entrada, la
señal de realimentación (salida del bloque CONDITIONER).
Figura 3: Diagrama del circuito “Error Amplifier”
• Controlador PID: Esta etapa realiza las acciones de control
proporcional, integral y derivativa en el proceso cuando se opera
en Lazo Cerrado. El componente activo que se utiliza para realizar
dichas acciones está constituido por un amplificador operacional
en configuración inversora. El efecto de la acción de control
proporcional se tiene cuando se varía el valor de P1, provocando
un aumento en la ganancia y disminución de la señal de error. La
acción de control integral está realizada por las resistencias R1 y
R7 y los capacitores C4, C5 y C6, los cuales pueden conectarse
uno a la vez o en combinación, variando así la constante de
tiempo de la acción integral. Al integrar la señal de error puede
llegar a obtenerse una condición de error nulo, con la desventaja
de poner al sistema en una condición de oscilaciones
permanentes o amortiguadas. La acción de control derivativa
está realizada por las resistencias R2 y Req y los capacitores C1,
C2 y C3. En este caso también pueden conectarse uno a la vez o
en combinación. Esta acción tiene el inconveniente de generar
una salida nula cuando hay un error constante diferente de cero,
razón por la cual nunca se le utiliza sola, sino en combinación con
la integral y/o la proporcional. La razón de utilizar esta acción de
control se debe a que el efecto de ésta, logra estabilizar
nuevamente al sistema que resulta inestable a causa del efecto
de la acción proporcional y/o integral.
Figura 4: Diagrama del Circuito de control PID.
• Amplificador de Potencia para la Válvula Proporcional. La señal
de entrada que se conecta a este bloque es utilizada para
generar la señal que gobernará al transistor T1, cuya función es la
de regular la corriente que fluye en el transistor T2 y por lo tanto en
la válvula proporcional (PROP VALVE). Así, al valor de la corriente
de la base de T1 quedarán vinculadas tanto la corriente del
colector como el voltaje de la base de T2 y la caída de voltaje
sobre las resistencias R8 y R9.
Figura 5: Diagrama del circuito del Amplificador de Potencia.
• Acondicionador del Transductor de Presión: Para medir la presión
de la unidad TY35/EV, se utiliza un transductor de presión con
cuatro “Straingates” (extensímetros) conectados a modo de
puente de Wheatstone. Una de las diagonales del puente se
alimenta con el voltaje de referencia de 8 V (Vref) generado por
el bloque “Set Point”. La diagonal opuesta del puente suministra la
tensión de medida, la cual es proporcional a la presión del
depósito de la unidad TY35/EV. Dicha tensión es filtrada y
amplificada por el amplificador operacional IC1. La salida de IC1
se conecta a la entrada inversora de IC2, cuya ganancia está
dada por la relación (R8+RV2)/R5. La señal proveniente del grupo
R6, R7 y RV1 sirve para ajustar la señal de salida de IC2 en 0V
cuando se tiene una presión nula.
Figura 6:Diagrama del Acondicionador de Señal.
• Unidad TY35/EV
Figura 7: Unidad TY35/EV
• Motor: Se localiza en la parte izquierda anterior del módulo TY35,
se alimenta del voltaje de línea (127 Volts alterna) y su función es
accionar el compresor.
• Válvulas: a) Válvula proporcional. Se localiza en la parte superior
derecha, se encarga de mantener en la planta una presión fijada
por el valor de referencia. b) Válvula auxiliar. Se encuentra en la
parte superior derecha, en color rojo, como su nombre lo dice,
ésta solo debe usarse cuando la presión en el deposito aumente
en forma drástica (debido a una mala conexión en el sistema
controlador) , su activación es manual, y es responsabilidad del
alumno activarla si surge esta condición. c) Válvula de Seguridad.
Está diseñada para activarse cuando la presión en el interior del
depósito sea mayor a 2 bares, cuando esto suceda, desconecte
el motor de la línea de alimentación y accione la válvula auxiliar
para descargar la presión.
Control de Velocidad
Descripción de la Planta: El sistema consta de dos módulos, el módulo
G36A y el módulo TY36A/EV, los cuales se describen en esta sección
presentando una breve explicación de cada uno de ellos.
El módulo G36A, que lleva el nombre de Control de Velocidad y
Posición con Transductores (“Speed & Position Control with Transducer”),
es un sistema muy útil para estudiar el comportamiento teórico
experimental de las técnicas básicas de control aplicadas a la
regulación de la velocidad angular de un motor de corriente continua.
Como se observa en la figura 8, este módulo se compone a su vez de un
conjunto de diez bloques, los cuales realizan cada uno una función
específica. Además, muestra las conexiones que unen a los diferentes
bloques, así como los puntos de medición. En la parte superior derecha
muestra los bornes de conexión con los diferentes voltajes de
alimentación. A la derecha del módulo se encuentran dos bornes para
la conexión al motor de corriente directa y una base de 8 polos para el
conductor procedente del transductor ubicado en el módulo TY36A/EV.
Figura 8: Módulo G36A.
• Set point: Este bloque, denominado “Set Point” o módulo de
entrada de referencia tiene la finalidad de proporcionar la señal
de entrada al circuito. En el circuito mostrado, Z1 y Z2 son
reguladores de tensión variable (junto con RV1 y RV2). Con el
potenciómetro P1 se regula el valor de la tensión de salida de este
circuito la cual servirá como señal de referencia del sistema de
control.
Figura 9: Diagrama del circuito de la entrada de referencia.
• Amplificador de error: Este bloque realiza la comparación entre el
valor de entrada, proveniente del “Set Point” y el valor obtenido a
la salida del sistema, con el objeto de generar la señal de error.
(E). El módulo G36A cuenta con dos bloques de este tipo (“ERROR
AMPLIFIER 1” y “ERROR AMPLIFIER 2”), cuyo diagrama se muestra
en la figura 10. El circuito está constituido básicamente por un
amplificador operacional en configuración diferencial, cuya
salida es el resultado de la diferencia de las dos entradas
presentes afectada por la razón R4/R1. El potenciómetro RV1 sirve
para poner el offset del amplificador operacional en el nivel de
cero.
Figura 10: Diagrama del amplificador de error.
• Controlador PID: Este bloque proporciona un controlador versátil
que puede tomar las configuraciones P, I o D por separado, o
bien un control combinado de ellos mediante el puenteo de
algunos bornes específicos, ver la figura 11.
Figura 11: Diagrama de bloques del Controlador PID.
• Limitador de corriente: La función de esta etapa es la de limitar la
corriente del motor que se encuentra en el módulo TY36A/EV.
Opera de la siguiente manera: se envían las tensiones
provenientes de los extremos de las resistencias R1 y R2 que
representan la corriente que circula por ambas ramas del puente
a la entrada del amplificador operacional (IC1) conectado en
configuración diferencial. Por lo tanto, la tensión de salida de IC1
será proporcional a la corriente que circula por el motor y
conjuntamente con la señal proveniente de la salida del
controlador PID se envía a la entrada del segundo amplificador
operacional (IC2), cuando la corriente supera el límite máximo
fijado por RV2 la señal de corriente se hace igual a la proveniente
del controlador PID y el motor se detiene ya que la diferencia es
nula.
Figura 12: Diagrama del Limitador de Corriente.
• Acondicionador del tacogenerador de directa: Para evitar que la
constante del tacogenerador sufra variaciones al cargarse
demasiado al tacogenerador, se utiliza un amplificador IC1 en
configuración seguidor de tensión formando así un limitador que
sirve para evitar este inconveniente. Mientras que el capacitor C1
funciona como filtro, cuya función es la de limitar la influencia de
la ondulación residual. Este tipo de transductor proporciona una
tensión de salida continua de valor proporcional a la velocidad
angular, que se adapta mejor a los demás módulos, su esquema
se muestra en la figura 13.
Figura 13: Diagrama del acondicionador de señal del Tacogenerador de
Directa.
• Detector de velocidad: Este transductor que se basa en la
reacción de armadura del motor de corriente continua que se
encuentra localizado en el módulo TY36A/EV. Como se observa
en la figura 14, este bloque usa dos amplificadores operacionales
IC1 e IC2. IC1 se utilizado en configuración diferencial siendo su
salida proporcional a la diferencia de los niveles A y B, el factor de
proporcionalidad es R9 / R1. IC2 está conectado también en
configuración diferencial. Con E como la entrada que procede
del limitador de corriente y que representa el valor de la corriente
del motor. A través de RV1 puede variarse la ganancia de IC2, de
manera que a una cierta velocidad angular corresponda una
tensión bien determinada, dada con la siguiente expresión
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
...40008
mprvoltsG
Figura 14: Diagrama del acondicionador de señales para el tacogenerador de
alterna.
• Medidor digital de RPM´s: La señal suministrada por los
transductores fotoeléctricos de regulación necesita para poder
ser visualizada en algún indicador (display), es necesario utilizar un
convertidor de frecuencia a voltaje o sino utilizar un
frecuencímetro digital o un contador. En este módulo se utiliza un
contador digital porque tiene la ventaja de proporcionar una
indicación muy precisa. De la figura 15 se observa que el
componente denominado OC1 contiene un conjunto constituido
por un fotodiodo y un fototransistor, que genera una señal de
impulsos proporcional a la velocidad de rotación. De ahí la señal
lleva a la entrada del contador (IC4 MM74C926) que consta de
un contador de cuatro cifras decimales y de un registro en el que
pueden almacenarse los contenidos del contador. Las salidas son
capaces de controlar un display de siete segmentos. Además
cuenta con un temporizador (IC2) que proporciona el intervalo de
tiempo durante el cual se realiza el recuento de los impulsos, al
final d este tiempo se generan dos señales, una que permite a los
datos de las salidas del contador trasladarse al origen de salida , y
otra que lleva a cero el contenido de los contadores.
Figura 15: Diagrama del acondicionador de señal del transductor digital.
• Acondicionador de señal del transductor de posición: Como en
los transductores de velocidad el transductor de posición requiere
también de una etapa para acondicionar la señal del transductor
y que esta sea útil para poderse usar. Este circuito amplifica la
señal del potenciómetro de tal manera que la tensión sea -8 V
cuando el ángulo sea 0º y de +8 V cuando el ángulo sea 360º.
Como se observa en la figura 16, el cursor del potenciómetro llega
a la entrada no inversora del amplificador operacional siendo
esta una tensión proporcional a la posición. Los componentes R3 y
C1 constituyen un filtro de paso bajas cuya función es la de
eliminar eventuales disturbios debidos al movimiento del cursor. El
amplificador está en una configuración no inversora con
ganancia igual a
112 /)(1 RRVRG ++=
regulando el trimer RV1 se puede lograr una tensión de ± 8 V para
un ángulo comprendido entre 0º y 360º.
Figura 16: Acondicionador de Señal del traductor de Posición.
• Amplificador de potencia “PWM & Power Amplifier”: El esquema
del amplificador de potencia se muestra en la figura 17. Está
constituido por un puente H realizado por 4 MOS-FET de potencia.
La configuración del puente permite que el movimiento sea
bidireccional. Los diodos D1 a D4 sirven para proteger a los MOS-
FET en caso de que se apliquen tensiones peligrosas, cuando
conmutan al estado “OFF” y bloquean la corriente que circula por
el motor, por otra parte los diodos Zenner Z1 a Z4 hacen que las
tensiones de alimentación de la compuerta no sobrepasen los
límites máximos tolerables de los dispositivos utilizados. Los
transistores T5 a T10 se utilizan como excitadores de las entradas
de los MOS-FET.
Figura 17: Amplificador de Potencia.
La potencia aplicada al motor se regula con el dispositivo
nombrado PWM, que a la salida genera una onda cuadrada
cuyo ciclo de trabajo depende de la comparación entre una
señal diente de sierra y una tensión variable según sea el valor de
la salida. Observe que se genera también una señal PWM con
ciclo de servicio variable, así como la tensión complementaria
PWM, de este modo la potencia aplicada depende de la relación
entre el tiempo en el que conduce una de las ramas y el tiempo
en el que conduce la otra. En el módulo se encuentra también un
circuito fijador (CLAMP CIRCUIT), el cual tiene la función de
proteger a la fuente de alimentación de los picos producidos por
las conmutaciones de tensión en el motor, cuando este último
funciona como generador haciendo que la energía almacenada
se descargue en dicha fuente a través de los diodos. Para que
este último circuito tome parte del proceso se tienen que unir los
Bornes 26 y 27.
Control de Temperatura Módulo G34
Descripción de la Planta: se utiliza un sistema que consta de dos
módulos, el módulo G34 y el módulo TY34/EV los cuales se describen en
esta sección presentando una breve explicación de cada uno de ellos.
Figura 18: Módulo G34.
Como se observa en la figura 18, este módulo se compone a su vez de
un conjunto de ocho bloques, que representan a otros tantos circuitos
electrónicos los cuales realizan cada uno una función muy concreta.
Dicha figura muestra también las conexiones que unen a los diferentes
bloques, así como los puntos de medición.
• Set point: Este bloque, denominado “Set Point” o módulo de
entrada de referencia tiene la finalidad de proporcionar la señal
de entrada al sistema. Como puede observarse en la figura 19 la
etapa está constituida por R1, R2, R3, RV1, C1 y por el circuito
regulador Z1, el cual es un TL430 igual al que se usa en el
acondicionar de señal del transductor de semiconductor STT
(Silicon Temperature Transducer). En la salida de esta etapa
compuesta por P1 y RV2 se obtiene la señal de referencia que
puede ir de 0 a 8 V.
Figura 19: Diagrama del circuito de la entrada de referencia.
• Amplificador de error: El amplificador de error cuyo diagrama se
muestra en la figura 20, se encarga de realizar la comparación
entre el valor de entrada, proveniente del “Set Point” y el valor
obtenido a la salida del sistema, realimentación, con el objeto de
generar la señal de error. (E). Este bloque se encuentra constituido
por un amplificador operacional en configuración diferencial,
cuya salida es el resultado de la diferencia de las dos entradas
presentes afectada por la razón R4/R1.
Figura 20: Diagrama del Amplificador de Error.
• Controlador PID: Este bloque proporciona un controlador versátil
que puede tomar las configuraciones P, I o D por separado, o
bien un control combinado de ellos mediante el puenteo de
algunos bornes específicos. Este bloque se muestra en la figura 21.
Figura 21: Diagrama de bloque del controlador PID.
• Acondicionador del transductor de semiconductor (STT): Debido a
que el transductor utilizado es de tres hilos, se ha adaptado un
amplificador diferencial para minimizar el valor resistivo de los
alambres del transductor. El equipo está provisto también de un
indicador de sobre-temperatura, de este modo cada que se
rebase la temperatura de 150 ºC se encenderá un indicador y a
se tendrá que apagar la fuente de calor donde se encuentra el
transductor. Este acondicionador de señal proporciona un rango
de voltajes entre 0 y 8 V que corresponden a rangos de
temperatura entre 0 y 150 ºC respectivamente y como la salida
del transductor debe ser lineal entonces la constante de
proporcionalidad que se obtiene de la relación entre el voltaje y
la temperatura es:
Figura 22: Diagrama del Acondicionador del Transductor de Semiconductor.
cte de proporcionalidad = 53.3 mV/ºC
• Acondicionador de señal del transductor de termo–resistencia
(RTD Resistance Temperature Detector): Es el acondicionador de
señal de transductor que se basa en una resistencia que es
sensible a la temperatura (termo-resistencia). El acondicionador
de señal de este transductor logra obtener una rango de tensión
entre 0 y 8 V correspondiente a un rango de temperaturas entre 0
y 250 ºC. La figura 23 muestra el circuito eléctrico de este
acondicionador de señal.
Figura 23: Acondicionamiento de señal del transductor de termo-resistencia.
• Acondicionador de señal del transductor de termopar: La función
de este acondicionador, es la de elevar la tensión de salida y
hacer una compensación de la unión fría del termopar. A
temperatura ambiente, la fem termoeléctrica que genera el
transductor es del orden de milivolts, por ello es necesario tomar
precauciones en el acondicionador de señal para impedir que las
perturbaciones, como el ruido, puedan llegar a alterar la
medición correspondiente. El esquema eléctrico del
acondicionador de señal de este transductor se presenta en la
figura 24. El amplificador IC1 que recibe la señal enviada por el
termopar cuenta con un bajo desplazamiento térmico (drift) y
una baja desviación permanente (offset), además, para su mejor
funcionamiento se le agrega a este circuito una etapa de
filtración realizada por el condensador C1, reduciendo de esta
manera problemas de ruido. Por su parte el circuito IC2 realiza la
compensación de la unión fría, para esto utiliza un diodo de silicio
(D1) como elemento termosensible cuya función se amplifica
apropiadamente por IC2. Se utiliza un diodo debido a que su
relación voltaje-corriente depende de la temperatura, con una
polarización adecuada, las variaciones de las características del
diodo coincidirán con las causadas por las variaciones de la
temperatura de la unión fría. Las tensiones provenientes de los dos
bloques anteriores llegan a la entrada de una etapa constituida
por el circuito IC3 en configuración sumador, la cual proporciona
una señal de salida lista para utilizarse, esta señal se puede
apreciar en el borne 33. Debido a que el rango de temperaturas
de 0º a 250ºC corresponde en forma lineal con un rango de
voltajes de 0 a 8 V, la constante de proporcionalidad que se
obtiene de la relación entre el voltaje y la temperatura es:
cte de proporcionalidad = 32 mV/ºC
Figura 24: Acondicionador de señal del transductor de termopar.
• Termómetro digital: El módulo G34 cuenta con un termómetro
digital que tiene la finalidad de poder contar con una lectura de
la temperatura durante el desarrollo de las prácticas
correspondientes.
• Amplificadores de potencia para el calefactor/enfriador: Esta
etapa se encarga de proporcionar una ganancia en corriente a
la señal de control que alimenta el calefactor o el enfriador.
Consta de dos etapas independientes una que se encarga de
amplificar la corriente alterna para la resistencia calefactora y
otra para el ventilador de enfriamiento. Para la resistencia
calefactora se utiliza un TRIAC como elemento básico al cual se le
controla su ángulo de disparo, esto se logra comparando la señal
de control de entrada a esta etapa con una señal diente de
sierra sincronizada con la frecuencia del sistema, de aquí se
genera la señal de disparo que finalmente se envía a la
compuerta del TRIAC, de esta manera el ángulo de conducción
del TRIAC varía en forma proporcional a la magnitud de la señal
de control de entrada. Por lo que respecta al amplificador de
corriente para el enfriador se utiliza un comparador cuya función
es detectar niveles negativos de la señal de control para activar
el enfriador. Toda esta etapa se alimenta a través de la señal de
control de entrada en el borne 11 y sus correspondientes salidas
se tienen en dos pares de bornes identificados como “HEATER” y
“COOLER” respectivamente según se observa en la figura 25 de
esta etapa.
Figura 25: Amplificador de Potencia.
En el módulo TY34/EV se encuentran ubicados los transductores así
como la resistencia calefactora y el ventilador de enfriamiento como se
muestra en la siguiente figura.
Figura 26: Módulo TY34/EV.
Control de Temperatura Módulo Lab-Volt 3521
Descripción de la Planta:
Esta planta está compuesta el módulo de Lab-Volt 3521 el cual se
describe a continuación, Ver figura 27.
Figura 27: Equipo didáctico para el control de temperatura Lab-Volt 3521.
Este equipo está compuesto por una serie de bloques funcionales, que
en general se pueden separar en lo que es el proceso con sus
respectivos transmisores; lo que es el controlador PID; los voltímetros, la
sección de alarma y por último las fuentes y los generadores de señales.
Proceso de temperatura: En cuanto al proceso este es de tipo térmico
en donde se suministra una cantidad de energía controlada al
calefactor el cual trasmite la energía térmica a un radiador (el cual se
puede ver a través de la reja frontal).
Transmisión de Temperatura: La temperatura del radiador es medida
con un termopar tipo J el cual se introduce por una abertura que se
encuentra en la parte superior del equipo; este termopar se conecta al
transmisor de temperatura, el cual procesa la señal y la adecua para
que se pueda ver su valor en la pantalla y para que pueda
realimentarse al resto del sistema de control a través de la salida, la cual
se puede ajustar de manera que se genere una señal de 0 a 5 V
cuando la temperatura se encuentra en un valor mínimo y hasta cierto
margen de variación; esto se logra con los ajustes cero y rango.
Figura 28: Transmisor de temperatura.
Comparador de Histéresis: La señal de entrada del proceso y por la cual
se ejecuta el control tiene su lugar de inserción en la entrada positiva
del comparador de histéresis (la entrada negativa es para el generador
de onda triangular), la salida del comparador de histéresis se conecta a
la entrada de control del relé de estado sólido, este tendrá como
función llevar una alimentación intermitente al calefactor, esto con el fin
de manejar la inercia de calor que se pueda transmitir al radiador.
Figura 29: Comparador de histéresis.
Ventilador y Calefactor: El ventilador tiene tres posiciones de
funcionamiento, las cuales permiten que el ventilador tenga tres
velocidades (alta, baja y parado). Algo similar sucede con el calefactor,
aquí se puede ajustar la potencia que se suministra al mismo en dos
posiciones que permiten que el calefactor se encuentre bajo una
potencia alta o una potencia baja de operación. Estas condiciones que
nos dan la posibilidad de cambios en las condiciones de operación del
sistema se usan como perturbaciones.
Figura 30: Etapa de ventilador y calefactor.
El controlador PID: puede tener varias configuraciones, tiene capacidad
de funcionamiento como controlador PID ideal y como PID serie. Para
ajustar las constantes del controlador se calibrará cada una de las
ganancias (Proporcional, Integral y Derivativa) según corresponda para
cada práctica y utilizando el método que se describe en las mismas.
Figura 31: Etapa del controlador PID.
Los voltímetros CC: sirven para lograr el ajuste y medición de cualquier
variable involucrada según corresponda; las fuentes CC1 y CC2 sirven
para ajustar valores de referencia del proceso y para generar cambios
escalón en la entrada del lazo.
Los valores de entrada y salida de la planta y del PID corresponden a
valores estándar de voltaje en sistemas de control de Lab-Volt, esto es,
el rango de variación va de 0 a 5 V; por lo que se puede usar alguna
interfaz para ejercer control de la planta mediante algún elemento de
control externo, como puede ser algún programa de simulación o algún
controlador discreto; o bien, controlar alguna planta externa mediante
el controlador PID del módulo.
top related