diseño e implementación de interfaz gráfica de usuario...
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Diseño e Implementación de Interfaz Gráfica de Usuario entre el Sistema de Control de
Proceso T5554 y un PLC Siemens S7-300
Henry Alexis Solórzano Gil
Tesis de Tecnología en Electricidad
Director:
Ing. Luis Antonio Noguera vega
Universidad Distrital “Francisco José De Caldas”
Facultad Tecnológica
Programa de Tecnología en Electricidad
Bogotá, Octubre de 2015.
Henry Alexis Solórzano Gil
Diseño e Implementación de Interfaz Gráfica de Usuario entre el Sistema de Control de
Proceso T5554 y un PLC Siemens S7-300
Tesis presentada al Programa de Ingeniería en Control de la Universidad Distrital “Francisco
José De Caldas” Facultad Tecnológica, para obtener el título de Tecnólogo en electricidad
Programa:
Tecnología en Electricidad
Director:
Ing. Luis Antonio Noguera vega
Bogotá, Octubre de 2015.
El consejo curricular de la Universidad Distrital
Francisco José De Caldas aprueba el trabajo de
Grado titulado:
“Diseño e Implementación de Interfaz Gráfica de Usuario entre el Sistema de Control de
Proceso T5554 y un PLC Siemens S7-300”
En cumplimiento de los requisitos para obtener
El título de Tecnólogo en Electricidad
LUIS ANTONIO NOGUERA VEGA ________________________
DIRECTOR
FERNANDO MARTÍNEZ SANTA
_________________________ JURADO
Fecha de presentación: 23 de Octubre de 2015.
AGRADECIMIENTOS
A Dios por darme la oportunidad para culminar mi carrera, a mi mama María Antonia por la paciencia
y el apoyo que me dio durante todo este proceso, a mi hermano Daniel Orlando por el apoyo y los
consejos dados para finalizar esta carrera, a mi hermana Helena Patricia por el apoyo y el ánimo que
me brindo día a día, a Tatiana por su empuje sus consejos que me llevaron a cumplir este objetivo, a
mi papa Daniel que me dio la posibilidad de emprender esta carrera y siempre me dio su apoyo aunque
hoy no estés aquí a mi lado.
A mis compañeros y profesores de la universidad por los momentos y conocimientos compartidos
Tabla de contenido
Introducción ......................................................................................................................................... 10
Planteamiento del Problema .................................................................................................................. 12
Objetivos ............................................................................................................................................. 14
1 MARCO DE REFERENCIA Y MARCO TEÓRICO ........................................................................... 15
1.1 ANTECEDENTES ................................................................................................................ 15
1.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................... 17
1.2.1 SISTEMAS DE CONTROL ................................................................................................ 17
1.2.2 SENSORES ..................................................................................................................... 18
1.2.3 CONTROLADORES ......................................................................................................... 20
1.2.4 PID SIEMENS .................................................................................................................. 22
1.2.5 DESCRIPCIÓN DEL PLC .................................................................................................. 24
1.2.6 SISTEMA DE CONTROL DE FLUJO ................................................................................. 25
1.2.7 SISTEMA DE CONTROL DE PH ....................................................................................... 26
1.2.8 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESO ANALÍTICO T5554 ................ 27
1.2.9 DEFINICIÓN DE INTERFAZ GRAFICA .............................................................................. 28
1.2.10 CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UNA INTERFAZ GRAFICA ....................................... 29
2 METODOLOGÍA .......................................................................................................................... 33
3 DISEÑO DE LA RUTINA DE OPERACIÓN ..................................................................................... 36
3.1 ESCALIZADO DE LOS SENSORES ...................................................................................... 39
3.1.1 Ecuación para cada Variable ............................................................................................. 39
3.2 ESTRATEGIAS DE CONTROL.............................................................................................. 43
3.2.1 Sintonización Por Ensayo Y Error PID ................................................................................ 44
3.2.2 Controlador ON_OFF........................................................................................................ 45
4 DISEÑO DE LA INTERFAZ GRAFICA DE USUARIO ...................................................................... 46
4.1 DISEÑO DEL PROGRAMA ................................................................................................... 47
4.1.1 Pantalla Principal.............................................................................................................. 49
4.1.2 Pantalla Secundaria.......................................................................................................... 50
5 DISEÑO DE LAS GUÍAS DE LABORATORIO ................................................................................. 53
6 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 54
7 RECOMENDACIONES ................................................................................................................. 55
8 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................ 56
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Sistema (Fuente el Autor) ........................................................................................................ 17
Figura 2 Salida ON OFF (Santos, 2012) ................................................................................................. 21
Figura 3 Salida PID. (Katsuhiko) ............................................................................................................ 22
Figura 4 PID Siemens (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300) ......................................... 23
Figura 5 PLC. (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300) ..................................................... 24
Figura 6 Interface Programación. (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300) ......................... 24
Figura 7 Puerto Ethernet Cp343-1Lean. (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300) ................ 25
Figura 8 T5554. (Amatrol, 2010) ............................................................................................................ 27
Figura 9 Secuencia para el desarrollo del proyecto (Fuente el autor) ......................................................... 33
Figura 10 Ajuste Lineal Sensor de Flujo (Fuente el Autor) ........................................................................ 40
Figura 11 Ajuste Lineal Sensor de Nivel (Fuente el Autor) ........................................................................ 41
Figura 12 Ajuste Lineal Sensor de pH (Fuente el Autor) ........................................................................... 42
Figura 13 Escalizado Interno (Fuente el Autor) ........................................................................................ 42
Figura 14 CONTROL ON_OFF (Fuente el Autor) .................................................................................... 45
Figura 15 Conexión de Software (Fuente el autor). .................................................................................. 47
Figura 16 Red (Fuente el Autor) ............................................................................................................. 48
Figura 17 Jerarquías (Fuente autor) ....................................................................................................... 48
Figura 18 Funciones (Fuente el autor) .................................................................................................... 48
Figura 19 Cambios Variable (Fuente el autor) ......................................................................................... 49
Figura 20 Mitad Superior (Fuente el autor) ............................................................................................. 49
Figura 21 Pulsadores (Fuente el autor) ................................................................................................... 50
Figura 22 Selección de lazos (Fuente el autor) ....................................................................................... 50
Figura 23 Pictograma (Amatrol, 2010) .................................................................................................... 51
Figura 24 Selección Ayuda (Fuente el autor) ........................................................................................... 51
Figura 25 Gráficos (Fuente el autor) ....................................................................................................... 52
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Funcionamiento de los Sensores ............................................................................................... 19
Tabla 2 Bloques Internos (Fuente el Autor) ............................................................................................. 38
Tabla 3 Lenguaje Bloques Internos (Fuente el Autor) ............................................................................... 39
Tabla 4 Datos Transmisor de Flujo (Fuente el Autor) ............................................................................... 40
Tabla 5 Datos Sensor de Nivel (Fuente el Autor) ..................................................................................... 41
Tabla 6 Datos Transmisor de pH (Fuente el Autor) .................................................................................. 42
Tabla 7 Respuesta del Sistema (Fuente el autor). ................................................................................... 44
LISTA DE ANEXOS
ANEXO 1 Código
ANEXO 2 Guías
ANEXO 3 Video
10
Introducción
Este articulo muestra el desarrollo del proyecto “Diseño e Implementación de Interfaz Gráfica de
Usuario entre el Sistema de Control de Proceso T5554 y un PLC Siemens S7-300”, con el propósito
de proporcionar una herramienta estudiantil que permita el uso de los diferentes espacios didáctico-
académicos con los que cuenta la universidad, para la realización de prácticas de laboratorio en las
asignaturas relacionadas a la Automatización Industrial, Neumática, e Instrumentación, en el plan de
estudio de los proyectos curriculares Tecnología en Electricidad, e Ingeniería Eléctrica, además de
áreas afines a estas profesiones.
La interfaz gráfica de usuario y el algoritmo de control a través del PLC se desarrollaron enteramente
en el programa TIA PORTAL, ya que este integra los diferentes lenguajes de programación de PLC
con herramientas graficas que permiten a través de diferentes visualizaciones la interacción con un
proceso, además esta aplicación busca ser una interfaz modelo la cual pueda ser manejada por
alumnos y docentes durante el desarrollo de la asignatura.
De acuerdo a la plataforma elaborada se escribe un manual de prácticas, el cual muestra una serie de
laboratorios que permiten al estudiante tener una herramienta amigable como guía para el aprendizaje
en su quehacer universitario. Dentro de las prácticas se plantean varios retos los cuales son
progresivos para que la aplicación haga el acompañamiento en el desarrollo de las prácticas.
Con base a la tesis “Análisis y propuestas de sistemas solares de alta energía que emplean agua
como fluido calorífero” (Isaza Hurtado, 2012), se implementó la estrategia de control utilizada para el
control de las variables analógicas (Flujo y pH).
De la tesis Aplicando tecnología de innovación como PsoC (program system on chip) (Herrera Arias
& Cañon Rodriguez, 2014), proponemos brindar un sistema basado en 4 dispositivos esclavos que
realizarán monitoreo en las torres de perforación; como conteo de giros y RPM, y análisis de variables
provenientes de sensores análogos cuya salida varía entre 4 y 20 mA; y que se comunicarán por
comunicación I2C a un dispositivo maestro con interfaz a PC, en el cual un software que interpretara
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y visualizara los datos. Se obtuvo un ejemplo de cómo implementar una red de dispositivos utilizados
en la automatización Industrial.
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Planteamiento del Problema
Debido a la incursión que está teniendo la automatización en el mercado se convierte en una
necesidad la implementación de un sistema de supervisión a través de una interfaz gráfica en algunas
aplicaciones industriales. La Universidad en la sala de control automatizado, no cuenta con un
ambiente grafico que permita la realización de prácticas de automatización aplicado al sistema T5554,
donde los dispositivos utilizados en las practicas permitan al estudiante el manejo de forma remota,
presentación de imágenes dinámicas del proceso, procesamiento de la información y presentación de
alarmas.
Actualmente el sistema de control T5554 no cuenta con un medio que permita el ajuste y control de
las variables Flujo y pH (Estas son las variables principales del mencionado sistema), por consiguiente
la problemática es abordada en la investigación, entendiendo que se debe reacondicionar la interface
de comunicación para la supervisión del sistema y debe diseñarse una aplicación en un entorno grafico
diseñado para tal fin. Además el acondicionamiento del sistema es algo útil debido a que es una
herramienta que permite el desarrollo de investigaciones, prácticas, aplicaciones y desarrollos futuros,
para estudiantes de tecnología en electrónica e ingeniería en control, en las áreas de automatización,
control e instrumentación.
Este proyecto busca acoplar equipos existentes en los laboratorios de Electrónica de la Facultad
Tecnológica de la Universidad Distrital, se va diseñar una interfaz gráfica de usuario, en la cual se va
a implementar la operación del sistema de forma remota, presentación de imágenes dinámicas del
proceso, procesamiento de la información y presentación de alarmas como una herramienta práctica
en la enseñanza de procesos industriales a manera de entrenador, donde permita integrar el sistema
de control con un controlador lógico programable, para este caso será el PLC siemens s7 300.
En ambientes académicos que involucran directamente necesidades de aprendizaje teórico-práctico,
y la Universidad Distrital sede Tecnológica al no contar con las herramientas que brinden esa
13
confrontación de lo visto en la teoría, en un espacio que permita el análisis práctico de las respuestas
de los circuitos de control electrónico industrial, se implementará un sistema de retroalimentación que
de soluciones reales a la institución, y que permita desarrollar esta parte incluida en los programas
académicos.
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Objetivos
Objetivo General
Diseñar e implementar una interfaz gráfica de usuario para realizar acciones de control y
supervisión del sistema de control de proceso analítico T5554 a través del PLC siemens S7-
300.
Objetivos Específicos
Implementar una rutina de operación para el manejo de las variables de proceso flujo y pH en
el sistema de control de proceso T5554.
Diseñar y desarrollar una Interfaz gráfica de usuario en un computador que permita controlar
las variables flujo y pH.
Desarrollar tres guías de laboratorio que permitan interactuar el sistema de control de proceso
analítico T5554 con la interfaz gráfica de usuario
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1 MARCO DE REFERENCIA Y MARCO TEÓRICO
1.1 ANTECEDENTES
En cuanto a proyectos relacionados estos se han enfocado en implementar controladores y
sistemas SCADA asociados a cada institución donde se han desarrollado y continuación se hace
referencia a algunos de ellos en relación con el proyecto planteado a manera de estado del arte.
Plataforma didáctica para el estudio de procesos térmicos en laboratorio de instrumentación
industrial (Isaza Hurtado, 2012). Se diseñó e implemento una planta térmica didáctica con sus
respectivos instrumentos así como el sistema de control y supervisión a partir de modelos
matemáticos y físicos del proceso y se validó los resultados simulados mediante comparación con
las respuestas obtenidas en el modelo real. Se relaciona con la propuesta actual en la
implementación sistema de control y supervisión como medio de enseñanza y estudio en
ambientes industriales.
Diseño de interfaz entre el módulo didáctico de instrumentación SL60 y la tarjeta de adquisición
de datos NI USB 6211, Universidad Distrital Francisco José De Caldas (Herrera Arias & Cañon
Rodriguez, 2014). El proyecto se desarrolló con el fin de recuperar la plataforma de aprendizaje
SL60 del laboratorio de eléctrica de la universidad distrital, a través de la automatización de la
misma con una tarjeta de adquisición NI6211 y su integración con Labview. Se relaciona con el
proyecto en la automatización aplicada para demostrar el funcionamiento de sistemas de control.
Plataforma didáctica para el estudio de plantas de energía hibridas eólico hidráulicas de la
Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Cluj-Napoca, Cluj-Napoca, Rumania (Leach,
Munteanu, Vădan, & Căpăţână, 2014). Se basa en la instalación de una turbina para aprovechar
la energía del viento luego se acopla al generador y a una etapa de conversión de energía para
luego almacenarla en una serie de acumuladores. La planta terminada esta orientada a la
investigación para integrar centrales eólicas al sistema eléctrico y también para enseñar a los
estudiantes sobre los sistemas de energía renovables. Se relaciona con la propuesta actual en el
desarrollo de proyectos tecnológicos a nivel de Tecnología Electrónica e Ingeniería En Control y
la utilización como herramienta de enseñanza por parte de docentes.
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Sistema de control de procesos Batch. Aplicación a la planta des mineralizadora de una Central
termoeléctrica (Johan, 1986). Consiste en el monitoreo de variables, la ejecución de las
secuencias y la evaluación de algoritmos de control, el cálculo de parámetros da operación y la
actualización de las señales da control para la automatización de la Planta des mineralizadora de
una Central Termoeléctrica. Se relaciona con el desarrollo de proyectos de postgrado permite
implementar técnicas Batch en aplicaciones industriales.
Un laboratorio de enseñanza para el control de procesos” Instituto Tecnológico de Lund en Suecia
(Domínguez, Reguera, & Fuertes, 2005). Consiste de una planta para el control de nivel a partir
de dos tanques en cascada con la debida instrumentación de campo conectada a un sistema de
supervisión y control basado en computador. Se relaciona con la propuesta actual en la
elaboración de prácticas las cuales se asocian con: sistemas realimentados y control PID,
moldeamiento matemático de sistemas, implementación de controladores PID a partir del
computador y control a partir de realimentación de estados.
Automatización Del Proceso De Separación Y Clasificación De La Producción Por Órdenes De
Pedido, Para Estación De Pale tizado De La Celda De Fabricación Flexible (Has-200) (Turizo,
2011). EL sistema HAS-200 se ha desarrollado teniendo en cuenta las necesidades que la
industria requiere en capacitación, dado los altos niveles de automatización que se están
implantando. La versatilidad y diseño de este sistema logran representar una planta de fabricación
con todos los procesos de una manera real, permitiendo a los usuarios la observación y estudio
de diferentes factores que presenta un sistema de producción en serie. Basados en la pirámide
de automatización se integra un sistema de gestión para controlar y supervisar los pedidos.
Permitiendo el desarrollo de las competencias que aplican a ingenieros y técnicos en sistemas
altamente automatizados. Se relaciona comparando que con la propuesta de proyecto de grado
se busca dar una solución de automatización robótica para el proceso de paleteado de la celda
de fabricación HAS-200, partiendo de las tecnologías presentes en la industria, y de trabajos
académicos previos, relacionados con la temática. Se da a conocer la solución propuesta que se
busca implementar, teniendo en cuenta las herramientas y equipos que se tiene al alcance en la
facultad, promoviendo la adaptación de tecnología.
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1.2 MARCO TEÓRICO
1.2.1 SISTEMAS DE CONTROL
Un sistema puede definirse como un objeto que recibe acciones de o señales de entrada y con base
a esto refleja una salida la cual es reflejada en una variable como muestra la Figura 1.
Figura 1 Sistema (Fuente el Autor)
Un sistema de control se caracteriza por tener elementos que permiten tener control sobre el sistema.
La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las variables de
control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados
o valor de consigna (Nise, 2002).
Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes
requisitos:
Garantizar la estabilidad y no variar ante perturbaciones externas que generen un error a la
salida.
Ser tan eficiente como sea posible, según un criterio preestablecido.
Ser amigable a la hora de ser desarrollado con ayuda de un computador.
Los elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulación son los
siguientes:
Sensores Permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema.
ENTRADA AL
SISTEMA SISTEMA
SALIDA O
RESPUESTA
ESTIMULO
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Controlador. Utilizando los valores determinados por los sensores y la consigna impuesta,
calcula la acción que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta
estrategia. Actuador.
Es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por el controlador y que modifica las
variables de control.
1.2.2 SENSORES
Los sensores1 utilizados dentro el desarrollo del proyecto se relacionan a continuación en la Tabla 1 (Garcia
Parra, Martirena Tornos, Barbancho Lopez, & Ponce Castillo, 2005), (Ward, Pimble, Camisón Ojalvo, &
Martirena Tornos, 2004):
Sensor de
flujo Grafico Funcionamiento Aplicaciones
Rotámetro
(Omega, 2011)
Tiene un flotador (indicador) que se mueve libremente
dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el
extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte
inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que
el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que
la caída de presión de este estrechamiento sea lo
suficientemente para equilibrar el peso del flotador. La
posición del flotador varía directamente con el caudal.
(Omega, 2011)
Utilizados para medir líquidos
limpios de bajos caudales en
tuberías de diámetros
pequeños. Se los encuentra en
la industria química, alimenticia,
farmacéutica entre otras.
(Omega, 2011)
1 Sensor: Es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. (Nise, 2002)
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Paletas
deslizante
(Rodrigo., (2007) )
Consta de un rotor con unas paletas, dispuestas en
parejas opuestas, que se pueden deslizar libremente
hacia adentro y hacia afuera de su alojamiento. Los
miembros de las paletas opuestas se conectan
rígidamente mediante varillas, y el fluido circulando
actúa sobre las paletas sucesivamente, provocando el
giro del rotor. Mediante esta rotación el líquido se
transfiere desde la entrada a la salida a través del
espacio entre las paletas. Como éste es el único
camino para el paso del líquido, contando el número de
revoluciones del rotor, puede determinarse la cantidad
de líquido que ha pasado. (Rodrigo., (2007) )
Se usan para medir líquidos de
elevado costo, siendo
instalados, generalmente, en
camiones cisternas para la
distribución de combustible para
la calefacción. (Rodrigo., (2007)
)
PH-metro
(CVFET, 2009)
En el caso del ISFET, el puerto es reemplazado por el
analito y la capa de SiO2 entra en contacto directo con
el analito. La parte metálica del electrodo de referencia
puede ser considerada con la puerta del MOSFET (ver
figura 3b).En los ISFETs, la corriente ID fluye a través
del canal. Como en los MOSFET la resistencia del
canal depende del campo eléctrico perpendicular a la
dirección de la corriente. También depende del voltaje
a través de la capa de SiO2. Por lo tanto la corriente ID,
depende del potencial de interfaz que se desarrolla
entre el óxido y el analito. El SiO2, utilizado como
aislante en la construcción del MOSFET, no es la mejor
elección cuando se trata de ISFET ya que parte de su
funcionamiento depende de la respuesta del SiO2 al pH;
en este caso se utilizan Al2O3, Si3N4 y Ta2O5 cuyas
propiedades químicas en lo que a ello refiere resultan
más convenientes (CVFET, 2009)
Se utiliza para medir el pH
dentro de procesos alimenticios
(fabricación de panela,
bocadillos, entre otras), estudios
de suelos, análisis de aguas
residuales y para mantener el
nivel de pH dentro de las
piscinas. (CVFET, 2009)
Sensor de
nivel
(Rodrigo., (2007) )
Las membranas del sensor de presión diferencial se
deforman cuando se les aplica presión. El aceite de
relleno transmite esta presión hasta un puente de
semiconductores. La presión diferencial es procesada
y posteriormente convertida en una señal de salida. Las
ventajas del sensor son la elevada presión de proceso
hasta 420 bar, la excelente estabilidad a largo plazo y
una muy buena resistencia en caso de sobrecarga
unilateral. (Rodrigo., (2007) )
Aplicaciones típicas son la
medición de líquidos en
depósitos de almacenaje
medianos o estanques abiertos.
El sensor es adecuado para la
detección de sólidos a granel en
depósitos pequeños o
contenedores abiertos.
(Rodrigo., (2007) )
Tabla 1 Funcionamiento de los Sensores
20
1.2.3 CONTROLADORES
1.2.3.1 ON OFF
La salida del controlador ON-OFF, o de dos posiciones, solo puede cambiar entre dos valores al igual
que dos estados de un interruptor. El controlador no tiene la capacidad para producir un valor exacto
en la variable controlada para un valor de referencia dado pues el controlador produce una continua
desviación del valor de referencia.
La acción del controlador de dos posiciones tiene un simple mecanismo de construcción, por esa razón
este tipo de controladores es de los de más amplio uso, y comúnmente utilizados en sistemas de
regulación de temperatura. Los controladores mecánicos de dos posiciones normalmente posee algo
de histéresis, por el contrario los controladores electrónicos usualmente funcionan sin histéresis.
La histéresis está definida como la diferencia entre los tiempos de apagado y encendido del
controlador. El usar un controlador de acción de dos posiciones da como resultado una oscilación de
la variable controlada x. Para determinar la regulación del controlador, son importantes los parámetros
amplitud y período de tiempo de la oscilación. La oscilación depende de muchos factores, el período
de tiempo está en función del tiempo muerto del sistema y la posible histéresis del controlador.
La histéresis también está directamente influenciada por la amplitud de la oscilación la cual es
adicionalmente dependiente de los valores del factor de histéresis Kis y la magnitud del escalón en la
variable de entrada como muestra la Figura 2. (Santos, 2012)
21
Figura 2 Salida ON OFF (Santos, 2012)
TU = Tiempo muerto del sistema
w = Valor de referencia
T = Período de la oscilación
Xm = Ancho de sobre impulso de la oscilación
1.2.3.2 CONTROLADOR PID
Es un mecanismo de control por realimentación ampliamente usado en sistemas de control industrial.
Este calcula la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado. (Katsuhiko)
El algoritmo del control PID consiste de tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el
derivativo. El valor Proporcional depende del error actual. El Integral depende de los errores pasados
y el Derivativo es una predicción de los errores futuros. La suma de estas tres acciones es usada para
ajustar al proceso por medio de un elemento de control como la posición de una válvula de control o
la potencia suministrada a un calentador. (Katsuhiko)
Cuando no se tiene conocimiento del proceso, históricamente se ha considerado que el controlador
PID es el controlador más adecuado. Ajustando estas tres variables en el algoritmo de control del PID,
el controlador puede proveer una acción de control diseñado para los requerimientos del proceso en
específico. La respuesta del controlador puede describirse en términos de la respuesta del control ante
22
un error, el grado el cual el controlador sobrepasa el punto de ajuste, 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 (ver Figura 3).
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. (Katsuhiko)
Figura 3 Salida PID. (Katsuhiko)
1.2.4 PID SIEMENS
Este bloque de función (ver Figura 4) se puede utilizar de muchas maneras en un proceso de regulación,
como regulador con consigna fija o formando parte de una estructura de bucles complejos (cascada,
mezcla, relación etc.). (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300)
23
Debido a que este bloque de función se basa en un algoritmo matemático PID, tendrá que ejecutarse
cíclicamente, y los resultados matemáticos de dicho algoritmo y todos los valores de los parámetros
que se explican a continuación se guardan en un DB. Por lo tanto, por cada FB41 se necesita un DB
de instancia. (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300)
Figura 4 PID Siemens (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300)
24
1.2.5 DESCRIPCIÓN DEL PLC
Para la implementación de la rutina de control se hizo en un PLC siemens S7-300 (Ver Figura 5), CPU
6ES7 313-5BG04-0AB0.
Figura 5 PLC. (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300)
Este PLC tiene 5 puertos de entradas análogas configurables en tensión o corriente, dos salidas
análogas configurables en tensión o corriente, tiene 3 puertos de entradas digitales, 2 puertos de salida
digital. Se comunica con el computador a través de una interface MPI (Ver Figura 6), con un adaptador
USB para realizar su programación.
Figura 6 Interface Programación. (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300)
Además se acoplo al PLC un puerto Ethernet Cp343-1Lean (ver Figura 7) el cual permite comunicar al
PLC con la interface a través del protocolo de comunicación PROFINET. (Manual del sistema de
automatización Simatic S7 300)
25
Figura 7 Puerto Ethernet Cp343-1Lean. (Manual del sistema de automatización Simatic S7 300)
1.2.6 SISTEMA DE CONTROL DE FLUJO
El control de flujo es importante desde el punto de vista industrial, para mantener en régimen de
operación diferentes equipos (Sistemas de refrigeración, operaciones de separación) y para efectos
contables, en los cuales importa el suministro de ciertos fluidos (gasoductos). Dinámicamente es un
proceso especial, en que la reajusta a cambios en la posición del elemento final de control (válvula,
bomba), es rápida y prácticamente depende de las demoras en los instrumentos de medida.
(CONAGUA., 2003)
Un ejemplo de aplicación se encuentra en los sistemas de abastecimiento de agua potable, estos
constan de diversos componentes para la captación, conducción, potabilización, desinfección,
regulación y distribución. Para cada uno de ellos se construyen las obras necesarias para que sus
objetivos particulares sean alcanzados de forma satisfactoria. Y para llevar a acabo estar funciones el
flujo es controlado a través de electroválvulas y/o bombas cuando es enviado de una sección del
proceso a otra. (CONAGUA., 2003)
La captación se refiere a la toma del agua en las posibles fuentes; la conducción al transporte del
recurso hasta el punto de entrega para su disposición posterior; la regulación tiene por objeto
transformar el régimen de suministro del agua proveniente de la fuente, que generalmente es
constante, en régimen de demanda variable que requiere la población, y el objetivo de la distribución
es servirla en el domicilio de los usuarios, con las presiones adecuadas para los usos residenciales,
26
comerciales e industriales normales, además de la reserva necesaria para la protección contra
incendios en la zona de demanda urbana o rural (CONAGUA 2003).
Conducción. Dentro de un sistema de abastecimiento de agua potable, se llama línea de conducción
al conjunto integrado de tuberías, estaciones de bombeo y dispositivos de control, que permiten el
transporte del agua desde una sola fuente de abastecimiento, hasta un solo sitio donde será distribuida
en condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión. Las conducciones deberán entregar el agua
a un tanque de regulación y así facilitar el procedimiento del diseño hidráulico de los sistemas de agua
potable, tener un mejor control en la operación de los mismos y asegurar un funcionamiento óptimo
de los equipos de bombeo. (CONAGUA., 2003)
Tanque de regulación. Esta es la parte del sistema de abastecimiento de agua potable que recibe un
gasto desde la fuente de abastecimiento para satisfacer las demandas variables de la localidad en el
transcurso del día; permite el almacenamiento de un volumen de agua cuando la demanda en la
población es menor que el gasto de llegada y el agua almacenada se utiliza cuando la demanda es
mayor. Generalmente este tipo de regulación se hace por periodos de 24 horas (CONAGUA 2003).
Red de distribución. Es el conjunto de tuberías, accesorios y estructuras que conducen el agua desde
tanques de servicios o de distribución hasta la toma domiciliaria y a los hidrantes públicos.
(CONAGUA., 2003)
1.2.7 SISTEMA DE CONTROL DE PH
Los sistemas con pH son empleados en la industria para conocer o manejar ambientes con pH neutro,
un ejemplo es el control de pH en las piscinas. (BLAUTEC, 2015)
El pH del agua es un valor muy a tener en cuenta en las piscinas. La acción del cloro depende
directamente de él y, por lo tanto, el confort de los bañistas y el estado de la instalación. (BLAUTEC,
2015)
27
El pH indica la acidez o alcalinidad. Debe mantenerse entre los valores 7.2 y 7.6. Es importante
mantener este valor para cuidar la instalación de la piscina y evitar posibles irritaciones en los bañistas.
(BLAUTEC, 2015)
Si el pH es superior a 7.6, el desinfectante (cloro normalmente) pierde efectividad. Al contrario, si es
inferior a 7.2, el agua de la piscina adquiere propiedades ácidas y puede irritar los ojos y la piel de los
bañistas. (BLAUTEC, 2015)
1.2.8 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE PROCESO ANALÍTICO T5554
El sistema de control de proceso analítico (Ver Figura 8) es un banco de pruebas en el cual se
encuentran 2 lazos de control para las variables de proceso Flujo y pH, dentro de este también se
pueden encontrar sensores, electroválvulas, elementos de control y pantallas para la visualización de
las variables de proceso.
Figura 8 T5554. (Amatrol, 2010)
28
Este sistema de control se compone de 3 partes las cuales son:
Panel de control; El panel de control contiene todas las conexiones necesarias y dispositivos
de control para el sistema. Algunos de los dispositivos que se muestran son componentes
estándar, mientras que otros son opcionales. (Amatrol, 2010)
Lazo de control principal; El bucle principal proceso incluye la tubería a través de la cual
recircula el agua, la bomba encargada de la circulación del Agua y un sistema de inyección
de reactivo, que se utiliza para inyectar un ácido (Bisulfato de sodio) en el proceso para reducir
el pH. (Amatrol, 2010)
Lazo de Control de pH; El bucle de control de pH incluye manqueras a trasvés de las cuales
circula un reactivo (Carbonato de Sodio), un sistema de inyección de reactivo, un tanque
reactor con un agitador, y un electrodo de pH con un transmisor de pH.
El sistema de inyección de reactivo para este bucle inyecta una solución de base del depósito
en el reactor para devolver el pH del proceso al nivel deseado. (Manual del sistema de
automatización Simatic S7 300)
1.2.9 DEFINICIÓN DE INTERFAZ GRAFICA
La interfaz de usuario es el medio con que el usuario puede comunicarse con una máquina, equipo,
computadora o dispositivo, y comprende todos los puntos de contacto entre el usuario y el equipo.
Normalmente suelen ser fáciles de entender y fáciles de accionar, aunque en el ámbito de la
informática es preferible referirse a que suelen ser "amigables e intuitivos" porque es complejo y
subjetivo decir "fácil". (P.R.V)
29
Las interfaces básicas de usuario son aquellas que incluyen elementos como menús, ventanas,
contenido gráfico, cursor, los beeps y algunos otros sonidos que la computadora hace, y en general,
todos aquellos canales por los cuales se permite la comunicación entre el ser humano y la
computadora. (P.R.V)
La mejor interacción humano-máquina a través de una adecuada interfaz (de usuario), que le brinde
tanto comodidad, como eficiencia. (P.R.V)
1.2.10 CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UNA INTERFAZ GRAFICA
Algunas reglas deben tenerse en cuenta a la hora del diseño de interfaces (P.R.V):
Dar control al usuario.
Reducir la carga de memoria del usuario.
Consistencia.
Regla 1: Dar control al usuario.
El diseñador debe dar al usuario la posibilidad de hacer su trabajo, en lugar de suponer qué es lo que
éste desea hacer. La interfaz debe ser suficientemente flexible para adaptarse a las exigencias de los
distintos usuarios del programa. (P.R.V)
Principios:
Usar adecuadamente los modos de trabajo.
Permitir a los usuarios utilizar el teclado o el mouse.
Permitir al usuario interrumpir su tarea y continuarla más tarde.
Utilizar mensajes y textos descriptivos.
Permitir deshacer las acciones, e informar de su resultado.
Permitir una cómoda navegación dentro del producto y una fácil salida del mismo.
Permitir distintos niveles de uso del producto para usuarios con distintos niveles de
experiencia.
Hacer transparente la interfaz al usuario, que debe tener la impresión de manipular
directamente los objetos con los que está trabajando.
Permitir al usuario personalizar la interfaz (presentación, comportamiento e interacción).
30
Permitir al usuario manipular directamente los objetos de la interfaz. En suma, el usuario debe
sentir que tiene el control del sistema.
Regla 2: Reducir la carga de memoria del usuario.
La interfaz debe evitar que el usuario tenga que almacenar y recordar información. (P.R.V)
Principios:
Aliviar la carga de la memoria de corto alcance (permitir deshacer, copiar y pegar; mantener
los últimos datos introducidos).
Basarse en el reconocimiento antes que en el recuerdo.
Proporcionar indicaciones visuales de dónde está el usuario, qué está haciendo y qué puede
hacer a continuación.
Proporcionar funciones deshacer, rehacer y acciones por defecto.
Proporcionar atajos de teclado (iniciales en menús, teclas rápidas).
Asociar acciones a los objetos (menú contextual).
Utilizar metáforas del mundo real
Presentar al usuario sólo la información que necesita (menús simples/avanzados, wizards,
asistentes).
Hacer clara la presentación visual (colocación/agrupación de objetos, evitar la presentación
de excesiva información).
Regla 3: Consistencia. (P.R.V)
Permite al usuario utilizar conocimiento adquirido en otros programas. Ejemplo: mostrar siempre el
mismo mensaje ante un mismo tipo de situación, aunque se produzca en distintos lugares.
Principios:
Consistencia en la realización de las tareas: proporcionar al usuario indicaciones sobre el
proceso que está siguiendo.
Consistencia dentro del propio producto y de un producto a otro. La consistencia se aplica a
la presentación (lo que es igual debe aparecer igual: color del texto estático), el
comportamiento (un objeto se comporta igual en todas partes) y la interacción (los atajos y
operaciones con el mouse se mantienen).
31
Consistencia en los resultados de las interacciones: misma respuesta ante la misma acción.
Los elementos estándar del interfaz deben comportarse siempre de la misma forma (las barras
de menús despliegan menús al seleccionarse).
Consistencia de la apariencia estética (iconos, fuentes, colores, distribución de pantallas).
Fomentar la libre exploración de la interfaz, sin miedo a consecuencias negativas.
El HMI funcionará en pantallas de consola en computadoras. Se persigue como objetivo en esta guía
proporcione las pautas del diseño de las pantallas para que las trampas visuales más comunes puedan
evitarse y el cliente se muestre amigable y legible al usuario, además de adecuado a los objetivos del
sistema. (P.R.V)
Algunas pautas para el diseño son:
No se deben colocar demasiados objetos en la pantalla, y los que existen deben estar bien
distribuidos.
Cada elemento visual influye en el usuario no sólo por sí mismo, sino también por su
combinación con el resto de elementos presentes en la pantalla.
Demasiada simetría puede hacer las pantallas difíciles de leer.
Si se ponen objetos sin alinear, hacerlo drásticamente.
Asimetría = activo, simetría = sereno.
Elementos de tamaño y color similares se perciben como pertenecientes a un grupo.
Asumir errores en la entrada del usuario.
Diseñar para el usuario, no para demostrar los propios conocimientos tecnológicos.
Unos gráficos espectaculares no salvarán a una mala interfaz.
No se deben colocar demasiados objetos en la pantalla, y los que existen deben estar bien
distribuidos.
Cada elemento visual influye en el usuario no sólo por sí mismo, sino también por su
combinación con el resto de elementos presentes en la pantalla. (P.R.V)
A continuación se resumen las pautas para el diseño de una pantalla de HMI para el Sistema de
gestión de alarmas:
Fondos: usar los tonos apagados - gris claro es bueno.
32
Sombra: es un método recomendado para fraccionamiento de una pantalla.
Los gráficos de fondo deben usar tonos suaves, deben ser evitados los colores de alarma. Utilizar el
negro para resaltar objetos. (P.R.V)
Texto: utilizar un tipo de letra estándar, que esté disponible en todos los PC.
El estado del sistema de alarma debe ser visible en todas las pantallas, se recomienda mostrarlo en
la parte superior de la pantalla. (P.R.V)
Los colores de alarma seguirán la convención: rojo =alarma, amarillo = alerta, verde = estado OK, azul
= acción obligatoria. (P.R.V)
Para alarmas: se recomienda el uso adicional de indicaciones que no dependan del color; por ejemplo,
la posición, texto, señal sonora, etc. (P.R.V)
No se acepta el destello constante de las alarmas y debe ser evitada la conmutación automática de
pantallas en caso de alarma. (P.R.V)
Los sonidos son un buen método para resaltar y dar prioridad a las alarmas.
33
2 METODOLOGÍA
Este proyecto fue desarrollado siguiendo el esquema planteado en el siguiente diagrama de bloques
(ver Figura 9), esto se hizo de manera secuencial para su implementación de una manera fácil y rápida,
y cada uno de los pasos se encuentra descritos a lo largo de los siguientes capítulos;
Figura 9 Secuencia para el desarrollo del proyecto (Fuente el autor)
Búsqueda de Información; En este apartado se realizó la consulta en los manuales, hojas técnicas
y elementos de referencia existentes con respecto al sistema de control de proceso T5554, para
entender el funcionamiento de cada uno de ellos y así poder caracterizarlos para la posterior
implementación de un algoritmo de control dentro del PLC.
• Consultar Manuales Existentes
• Verificacion de la Informacion tecnica de los sensores e instrumentacion del banco
• Verificar el Estado del arte
• Consultar manuales acerca del Manejo del TIA portal
RECOPILACION DE INFORMACION
• El fabricante Brinda un manual de practicas de control de pH y Flujo, las cuales se realizaron para ser emuladas por la interfaz grafica.
REALIZACION DE LAS PRÁCTICAS EXISTENTES
• Planteamiento del algoritmo de funcionamiento inicial
• Diseño del pseudocodigo del PLC y la interfaz grafica
• Seleccion de los controladores a implementarIMPLEMENTACION DE LA RUTINA DE OPERACIÓN
• Asignacion de espacios de intercambio en la memoria del PLC
• Conexion de Memorias con interfaz fisica y Grafica
• Pruebas de comunicacion entre PC-PLC
• Elaboracion de interfaz grafica.
DESARROLLO DE LA INTERFAZ GRAFICA
• Documentacion de la aplicacion desarrollada.
• Documentacion de la linealizacion de los sensores.
• Elaboracion de documento que muestre el funcionamiento de la aplicacion
• Planteamiento de practicas para el manejo de los diferentes elementos usados durante el desarrollo del proyecto
DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE LAS GUIAS DE LABORATORIO
34
Realización de Prácticas Existentes; Para la comprensión del funcionamiento del sistema T5554 se
hizo un montaje de todas las practicas propuestas actualmente, las cuales servirán como base para
la creación de las nuevas prácticas y también para la realización de la linealizacion de cada uno de
los sensores.
Implementación de la rutina de Operación; Para realizarlo se desarrolló un programa para el PLC
modular, el cual está escrito en lenguaje LEADER y se anexa en este documento, donde se tuvo en
cuenta la siguiente estructura para llevar a cabo el ajuste y selección de las variables internas.
Se realizó una caracterización de las entradas teniendo en cuenta las variaciones de la variable real
para esto se midió con el multímetro las salidas de dichos sensores en diferentes intervalos de tiempo
y con diferentes estímulos, una vez hecho esto se seleccionó el controlador más adecuado teniendo
en cuenta la velocidad de respuesta de cada una de las variables.
Una vez hecho esto se procedió al desarrollo del programa en lenguaje leader, y la realización de
pruebas online del PLC para verificar la respuesta de las variables programadas, y el escalizado de
los sensores, por último se realizan pruebas de funcionamiento donde se realizó el ajuste de la escala
de los sensores y las pruebas del valor de consigna de los controladores.
Desarrollo de la Interfaz Gráfica; Para el desarrollo de la interfaz gráfica de usuario se tuvieron en
cuenta los parámetros reportados en el marco teórico, además de un esquema de navegación que
permite la integración de diferentes opciones e ir actualizando los diferentes valores así se esté en
una pestaña diferente.
La primer acción realizada fue la configuración de la red para que los dispositivos se encontraran
dentro de la misma red esto se hizo colocando un switch y un módulo de expansión al PLC, para
comprobarlos se realizó una prueba de conectividad desde el TIA portal.
Una vez conectado se realizó una tabla de variables las cuales se enlazaron con las memorias internas
del PLC y a su vez se enlazaron con las diferentes animaciones de la interfaz gráfica de usuario para
que según su estado se actualicen en el SCADA.
Y por último se realizaron las pruebas de funcionamiento y operatividad desde el interfaz variando el
valor de consigna de los controladores y verificando el valor de censado mostrado en la interfaz.
35
Desarrollo de las guías de laboratorio; Por último se hizo una recolección y documentación
necesaria para la realización de las guías de laboratorio, en las cuales se encuentra descrito paso a
paso la operación y conexión de los diferentes elementos para el correcto funcionamiento del sistema
de control de proceso.
36
3 DISEÑO DE LA RUTINA DE OPERACIÓN
Para la implementación de la rutina de operación se tuvieron en cuenta parámetros tales como: el
escalizado de los sensores, la interpretación de la lógica de contactos para la operación de variables
discretas en la actuación de las bombas con respecto a los sensores de llenado del tanque de proceso.
El programa fue desarrollado enteramente en TIA portal “Step 7 Profesional”, el cual permite la
integración de los 5 lenguajes de programación, pero para este caso particular el programa se
desarrolló basado en los lenguajes LEADER y SCL (Texto estructurado).
Se desarrollaron varias funciones particulares las cuales están en la Tabla 2 y Tabla 3 también el
seudocódigo particular que muestra el funcionamiento del programa se describe a continuación:
Inicio de la Rutina Principal ()
o Verificar Estado Sensores ();
o Escalizar Sensores ();
o Verificar estado Pulsadores y Sensores de llenado();
o Si Start Activo, Stop Activo y Paro de Emergencia Activo entonces
Activar T5554();
o Si no
No hacer nada
o Fin si
Fin de la rutina principal
Inicio Verificar Estado de los sensores ()
o Si sensor Conectado
Memoria=Valor ADC
o Si no
Memoria=0
Fin Verificar Estado de los sensores
37
Inicio Escalizar Sensores ()
o Salida=Constate Recta*(Memoria/27648)+Constante_Recta_2
Fin Escalizar
Nota: Las constantes fueron halladas realizando un experimento el cual se menciona en el siguiente capítulo.
Verificar estado Pulsadores y Sensores de llenado()
o Si Sensor de nivel máximo activo o nivel mínimo
No Verificar puerto de entradas digitales
o Si no
Retornar el Estado del puerto de entradas digitales
Fin Verificar
Inicio Activar T5554 ()
o Leer Selección de Lazo desde el HMI
o Si Flujo Activo
Activar Bomba de proceso principal
Leer Valor de Consigna desde el HMI
Activar PID
Abrir Válvula proporcional según Salida del PID
Leer Sensor de Flujo
Verificar estado Pulsadores y Sensores de llenado();
o Si no
Leer Valor de Consigna desde el HMI
Activar Bomba de proceso principal
Activar Agitador
Activar ON OFF
Abrir Válvula proporcional
Leer Sensor de pH
Si pH < Valor de consigna
38
Encender Bomba dosificadora electrónica
Si no
Apagar Bomba dosificadora electrónica
o Verificar estado Pulsadores y Sensores de llenado();
Fin Activar T5554
Icono Función Descripción
Rutina
Principal
Se encarga de Activar o desactivar el
sistema de control de proceso T5554 y
asignar el valor a las memorias que
almacenan temporalmente el valor actual de
los sensores
Verificar
Estado
pulsadores
Se encarga de Verificar las condiciones
mínimas necesarias para la activación de la
bomba principal de proceso, y los diferentes
controladores del sistema de control de
proceso.
PID
Es una rutina que se encarga de controlar el
flujo a través de un controlador PID.
ON OFF
Se encarga de controlar el valor de pH a
través de un controlador ON OFF
Activar T5554
Se encarga de enlazar las variables con el
HMI y actualizar las memorias dentro del
PLC dependiendo del valor asignado en el
HMI.
Tabla 2 Bloques Internos (Fuente el Autor)2
2 Los iconos de las tablas 2 y 3 fueron tomados del programa TIA PORTAL
39
Icono Lenguaje Implementado
Leader
Texto Estructurado
Leader
Texto Estructurado
Leader
Tabla 3 Lenguaje Bloques Internos (Fuente el Autor)
3.1 ESCALIZADO DE LOS SENSORES
El sistema de control T5554 cuenta con los siguientes sensores;
Sensor de pH
Sensor de Caudal
Sensor de Nivel
A los cuales se realizó un proceso de linealización para obtener la ecuación característica y poder
mostrar la lectura en la interfaz gráfica de usuario desarrollada para el PLC.
3.1.1 Ecuación para cada Variable
En las siguientes tablas se menciona el valor obtenido realizando una medición con el multímetro en
corriente y su valor de conversión que codifica el conversor análogo digital del PLC, una vez obtenida
una serie de puntos se procedió a realizar un ajuste y esa ecuación fue introducida en el programa
desarrollado (ver Figura 10).
40
Valor de Caudal "gpm" Corriente "mA" Valor ADC
0 4 0
0,2 7,07 9780
0,4 10,15 14030
0,6 12,22 16898
0,8 13,63 18845
1 14,54 20100
1,4 17,56 24269
1,8 20 27648
Ecuación Característica(mA): 0,000598487*VALOR_ADC+2,55
Ecuación Característica(gpm): 6,57E-05*VALOR_ADC-0,3071
Tabla 4 Datos Transmisor de Flujo (Fuente el Autor)
Figura 10 Ajuste Lineal Sensor de Flujo (Fuente el Autor)
Valor de Nivel de Agua "l" Corriente "mA" Valor ADC
0 4 0
1 8,98 12417
2 12,96 17922
41
3 15,70 21699
4 17,60 24324
5 18,87 26085
6 19,64 27154
7 20 27648
Ecuación Característica(mA): 0,00059841*VALOR_ADC+2,9563
Ecuación Característica(l): 0,0002339*VALOR_ADC-1,0978249
Tabla 5 Datos Sensor de Nivel (Fuente el Autor)
Figura 11 Ajuste Lineal Sensor de Nivel (Fuente el Autor)
Valor de Nivel de pH Corriente "mA" Valor ADC
0 4 0
2 7,27 10046
4 10,93 15116
6 13,70 18941
8 15,87 21937
10 17,59 24310
12 18,94 26187
42
14 20 27648
Ecuación Característica(mA): 0,0006081*VALOR_ADC+2,6258
Ecuación Característica(pH): 0,0004849*VALOR_ADC-1,9448
Tabla 6 Datos Transmisor de pH (Fuente el Autor)
Figura 12 Ajuste Lineal Sensor de pH (Fuente el Autor)
Una vez obtenidas todas las ecuaciones se ingresaron al código del PLC de la siguiente manera;
Figura 13 Escalizado Interno (Fuente el Autor)
43
3.2 ESTRATEGIAS DE CONTROL
El fabricante no entrega información sobre el modelo matemático del sistema o la curva de reacción,
tampoco se encontraron trabajos en el estado del arte que tengan una descripción matemática de
dicho sistema, debido a esto se escogieron estrategias de control como el PID y ON_OFF en las cuales
su comportamiento puede ser evaluado de manera experimental mediante la realización de prácticas.
Teniendo en cuenta que la finalidad de este proyecto es orientar de manera práctica a los estudiantes
hacia los posibles retos que puedan encontrar en la industria y mostrar el funcionamiento del sistema
de control de proceso T5554.
Primeramente se planteó construir un controlador ON_OFF, debido a que es uno de los primeros
controladores que se ve en la teoría de control por su sencillez, se controló la variable pH, porque el
tiempo que toma en hacer cambios de una unidad de pH es de 5 minutos aproximadamente y dentro
de este rango se puede observar en el display del sensor las variaciones del pH, y estas pueden ser
interpretados como las oscilaciones mostradas en la teoría (Ver numeral 1.2.3).
Para controlar la variable pH es requerido “ácido cítrico” para bajar el pH y “carbonato de sodio” para
subirlo (estrategias como el PID no es bueno usarlos ya que al variar las contantes y no obtener un
resultado óptimo hará que se desperdicie material en ensayos innecesarios cuando este no ha sido
ajustado o en la elaboración de la curva de reacción para el cálculo de las constantes), dado esto se
encontró en el controlador ON_OFF una forma de controlar la variable gastando el mínimo de material
posible.
En el caso del PID se utilizó para realizar el control de la variable de flujo, porque esta variable al
intentar controlarla con el controlador ON_OFF no llegaba al valor de consigna y este solamente
oscilaba abriendo y cerrando la válvula. Así que implementando el PID del PLC siemens sus
parámetros fueron configurados de manera que permitían realizar control sobre esta variable y el
método de sintonización empleado fue ensayo y error. Para sintonizar el PID se ingresaron variables
al azar para verificar la respuesta del sistema a diferentes constantes y así poder plantear diferentes
prácticas donde se puede llegar a las constantes de sintonización de forma manual.
44
Teniendo que las practicas que se pretenden realizar como objetivo de este trabajo no se van a enfocar
en el diseño de controladores o modelos matemáticos si no a la evaluación del efecto de la variación
de los parámetros del controlador de manera experimental y la visualización de estos de la misma
manera, debido a esto se escogió el método de ensayo y error.
A diferencia de otros métodos de sintonización experimental como Zieger and Nichols, Cohen y Coon,
entre otros, estos requieren la evaluación de la curva de reacción (y para ser obtenida requiere de
montajes adicionales, equipo especializado y un conocimiento previo para su interpretación), este
método permite visualizar la evolución del controlador sin necesidad de conocer dicha curva, logrando
que la practica sea más sencilla y asimilable por un estudiante lo cual es el objetivo primordial de este
proyecto.
3.2.1 Sintonización Por Ensayo Y Error PID
Para sintonizar el PID las constantes K, P, D se ingresaron de la siguiente manera;
Se aumentó la constante Proporcional hasta que el sistema alcanzara el valor de consigna.
Para disminuir el error se aumentó la constante proporcional.
Para aumentar la velocidad que tarda en llegar al valor deseado se aumentó la constante
derivativa con variaciones de 0.01.
Controlador PID Señal de entrada Señal de Salida
Kp 10
Ki 5000
Kd 1
Kp=Constante proporcional, Ki=Constante Integral, Kd= Constante derivativa
Tabla 7 Respuesta del Sistema (Fuente el autor).
45
Para realizar las gráficas se realizó un programa para el PLC que permitía exportar el valor del
sensor a una hoja de Excel y este valor es el que se muestra en la gráfica.
3.2.2 Controlador ON_OFF
Los resultados obtenidos con este controlador se presentan en la gráfica mostrada a continuación (ver
Figura 14), en la cual se puede observar que el sistema se torna oscilante alrededor del punto de valor
de consigna, pero en general el controlador sigue a la entrada y es bastante fácil de implementar.
Funciona controlando la bomba dosificadora electrónica ya que cuando el sensor de pH detecta que
está por debajo del nivel de pH la frecuencia de dosificación es máxima para lograr subir el nivel de
pH y cuando es al contrario la apaga y espera que el ácido proveniente de la bomba eductora baje el
nivel de pH.
Figura 14 CONTROL ON_OFF (Fuente el Autor)
46
4 DISEÑO DE LA INTERFAZ GRAFICA DE USUARIO
El software busca la integración del sistema de control de proceso analítico con un PLC siemens S7
300, para la simulación de los instrumentos de control que se encuentran en el banco, además de
establecer al menos una acción de control sobre las variables de proceso en los lazos de control
principal y pH (Flujo y pH).
El SCADA para el sistema T5554 comunica al usuario de forma remota mediante una interfaz que
permite la gestión, adquisición, monitoreo y control de las diferentes variables, dando así la
información en tiempo real del comportamiento de la planta, optimización y operación del proceso de
forma segura y eficiente.
Para el desarrollo de la interfaz de usuario se han seguido las siguientes recomendaciones
mostradas en el numeral 1.2.10, que permiten mejorar el rendimiento, con elementos gráficos de
forma clara y amigable para el usuario.
Diseño simple, orden lógico y bien etiquetado.
Indicaciones cuantitativas mostradas de forma gráfica.
Unidades con estándares generares.
Un solo tipo de fuente para cada ventana de la aplicación.
Estados binarios de forma ON/OFF con instancias gráficas y cambios de color.
Implantación de paleta de colores utilizados con mesura, para el color de las pantallas se
han tenido en cuenta, los colores de fondo que son grandes áreas de pantalla vacías y que
llevan colores neutros para no forzar la vista con contrastes excesivos.
47
4.1 DISEÑO DEL PROGRAMA
Se implementó un sistema modular que permite la transferencia de información
(lectura/escritura), de forma rápida mediante un OPC3 el cual se encarga de actualizar las variables
dentro del programa desarrollado (ver Figura 15).
Figura 15 Conexión de Software (Fuente el autor).
Para el desarrollo del sistema de supervisión y control se ha hecho uso del software WinCC Runtime
Advanced que se encuentra incorporado en el TIA, software de Siemens que permite el desarrollo de
Sistemas súper visorios e implementarlos en computadoras industriales o personales.
El sistema de control de proceso T5554 es controlada con un SIMATIC S7-300 que es conectado a la
estación de control mediante el módulo SIMATICNET CP-343 que implementa una comunicación
TCP/IP PROFINET (ver Figura 16).
3 Es un estándar de comunicación en el campo del control y supervisión de procesos industriales, basado en una tecnología
Microsoft, que ofrece una interfaz común para comunicación que permite que componentes software individuales interactúen y compartan datos. La comunicación OPC se realiza a través de una arquitectura Cliente-servidor.
PC PLC
OPC- TRANSFERENCIA DE
INFORMACIÓN
48
Figura 16 Red (Fuente el Autor)
La planta de proceso analítico está conectado al controlador a través de las entradas y salidas digitales
como analógicas que hacen parte de la CPU 313C (ver Figura 17).
Figura 17 Jerarquías (Fuente autor)
Para el programa SCADA se hizo uso de las funciones que se puede asignar a cada elemento, para
los elementos de entrada se asigno una funcion auxiliar y un evento el cual se ejecuta al detectar algun
cambio en la variable con la cual fue enlazada(Ver Figura 18), para los elementos de salida solamente
modifican el valor en el PLC el cual es almacenado en la memoria del mismo y los cambios se reflejan
en la pantalla (Ver Figura 19).
Figura 18 Funciones (Fuente el autor)
49
Figura 19 Cambios Variable (Fuente el autor)
4.1.1 Pantalla Principal
El nivel cero se compone se subdivide en varios paneles entre los cuales se encuentran;
Un panel principal de proceso el cual muestra el pictórico del lazo de proceso simulado (ver Figura 20),
el cual tiene diferentes avisos en los cuales se muestra el estado actual de cada sensor.
Figura 20 Mitad Superior (Fuente el autor)
Además en la parte inferior se encuentra un panel de control que se subdivide en según el tipo de
función que vaya desempeñar, en primer lugar se tiene;
50
Los botones de start, stop y paro de emergencia los cuales se encargan de habilitar o deshabilitar el
proceso de manera remota (ver Figura 21).
Figura 21 Pulsadores (Fuente el autor)
Luego está el menú de selección de lazo que permite seleccionar la variable a controlar y a su lado el
Setpoint o valor de consigna regula el valor esperado (ver Figura 22).
Figura 22 Selección de lazos (Fuente el autor)
4.1.2 Pantalla Secundaria
La figura del sistema de control (ver Figura 22), muestra el estado de las variables relacionadas dentro
del pictórico principal y también su ubicación dentro del sistema real.
51
Figura 23 Pictograma (Amatrol, 2010)
Dentro de este mismo nivel se encuentra el sistema de ayuda (ver Figura 24) el cual cuenta con una
serie de botones que muestran diferentes esquemas de utilidad para el usuario.
Figura 24 Selección Ayuda (Fuente el autor)
Entre ellos están;
Diagrama unifilar; muestra el diagrama de conexiones que debe realizar entre el PLC y el
sistema de control de proceso.
Configuración Ethernet; muestra cómo se configura el módulo PROFINET con el que cuenta
el PLC.
Indicaciones; muestra los posibles errores que se pueden presentar con el PLC.
52
Características Técnicas; muestra la hoja técnica del PLC y los sensores.
Conexión de los sensores; muestra la correcta conexión de los sensores.
Recomendaciones de Seguridad; muestra los elementos y medidas de seguridad necesarias
para operar el sistema de control de proceso.
Y por último oprimiendo cada sensor se grafica el estado del sensor durante la operación del sistema
de control de proceso (ver Figura 25)
Figura 25 Gráficos (Fuente el autor)
53
5 DISEÑO DE LAS GUÍAS DE LABORATORIO
Las guías de laboratorio se diseñaron con el fin de mostrar el funcionamiento básico del PLC a partir
de sencillas prácticas, cada una de las prácticas se estructuro de la siguiente manera;
Nombre de la práctica
o Objetivo General
o Consideraciones Generales
o Descripción
o Laboratorio
o Solución a la práctica
El objetivo muestra que se pretende con la práctica.
Las consideraciones generales, como se configura y se realizan las diferentes conexiones eléctricas.
Descripción, muestra una descripción de los puertos a utilizar.
Laboratorio, práctica propuesta.
Solución a la práctica, muestra una posible solución al problema propuesto.
Esta guía se divide en tres prácticas las cuales son;
Gestión de puertos digitales, se propone al estudiante un reto donde al implementarlo se conseguirá
entender el funcionamiento de los puertos digitales del PLC.
Gestión de puertos analógicos, se propone al estudiante un reto donde al implementarlo se conseguirá
entender el funcionamiento de los puertos analógicos del PLC.
Interacción con el sistema, muestra como conectar el PLC con el sistema de control de proceso y
establecer una comunicación entre los diferentes dispositivos que se desean conectar para que
interactúen entre sí.
54
6 CONCLUSIONES
Un controlador no es bueno solamente por el hecho de tener más parámetros, depende de la
aplicación que se le quiera dar, esto es mostrado por el control ON_OFF vs el PID, porque para
controlar la variable pH el PID desperdicia más material en ensayos para ser sintonizado que el
controlador ON_OFF.
La interfaz gráfica permite aprender a dominar el sistema de control de proceso T5554 más fácilmente
debido a que permite la identificación de los elementos físicos más rápidamente que realizando la
consulta en el manual.
Este trabajo plantea unas prácticas mejores a las existentes debido a que incorpora un PLC para
realizar el control de las variables del sistema de control de proceso, además de eso una interfaz
gráfica de usuario que hace más amigable su interacción con el usuario, lo cual en las prácticas
actuales no se hace ya que no incorporan ningún elemento de control.
55
7 RECOMENDACIONES
La solidificación de químico que se produce en el fondo en los tanques de almacenamiento de tanques
de reactivo produce perdida de material, por consiguiente antes de colocar los tanques al momento
de realizar el llenado con reactivo hay que asegurarse de que estos sean disueltos totalmente, y esto
se hace agitando los tanques durante un minuto esperando un minuto a que el agua no tenga burbujas
revisar el fondo y si hay grumos agitar nuevamente.
Este sistema está expuesto a recibir impurezas del ambiente lo que puede dañar la bomba de proceso
principal cuando el tamaño sea mucho mayor a 1 cm, debido a que no tiene filtros en el tanque de
proceso principal y al absolverla no podrá dejarla circular lo que hará que se sobre esfuerce hasta
quemarse ya que no tiene protección térmica.
La bomba dosificadora electrónica esta desajustada en el rango manual ya que el cero en la escala
corresponde a una gota cada 10 min y el 4mA del PLC significa que no hay dosificación y estos dos
parámetros según el fabricante deben ser iguales.
Se puede realizar un modelado matemático del sistema de control utilizando cualquier estrategia y
probar los mismos controladores pero hallando las constantes de sintonización aplicando alguno de
los métodos destinados para tal fin.
Con los diferentes sistemas de control y PLC que dispone el laboratorio se podría crear una red y
simular un proceso en conjunto con todos los demás sistemas de control de proceso.
También se pueden implementar controladores de otras características o con otros PLC y realizar
comparaciones entre ellos para saber cuál es el mejor con base en los resultados mostrados en este
documento.
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