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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
ESCUELA DE INGENIERÍA
DISEÑO Y RECONSTRUCCIÓN DEL CONTROLDE TEMPERATURA DE UN HORNO CON
CALENTAMIENTO ELÉCTRICO
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO
DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL
PAUL MESÍAS DUTAN RODRÍGUEZ
DIRECTOR : MSc. LUIS BARAJAS
Quito, Noviembre 2000
i
DECLARACIÓN
Yo, Paúl Mesías Dután Rodríguez, declaro bajo juramento que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún
grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual
correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, .¿según lo
establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
normatividad institucional vigente.
Paúl Mesías Dután Rodríguez
i
L
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Paúl Mesías Dután
Rodríguez, bajo mi supervisión.
MSc. LUÍ:? Barajas
DIRECTOR DE TESIS
AGRADECIMIENTO
A MIS PADRES Y HERMANOS,
POR SU AMOR Y APOYO
r
DEDICATORIA
A MI ESPOSA CARMEN GAONA Y A MI HIJO PAUL ANTHONY
frrr •—
CONTENIDO
Página
INTRODUCCIÓN
CAPITULO1CRITERIOS DE LA INSTRUMENTACIÓN, ALGORITMOS DE CONTROL Y LA
COMUNICACIÓN CON EL COMPUTADOR
1.1 El elemento sensor 4
1.1.1 La termocupla como elemento sensor 4
1.2 Breve estudio de las acciones típicas para el control de temperatura 7
1.2.1 Algoritmos de control 9
1.2.1.1 Control on-off 9
1.2.1.2 Control proporcional 10
1.2.1.3 Control proporcional-integral-diferencial 11
1.2.2 Salidas de los controladores 12
1.3 Discretización de la función de transferencia 14
1.4 Comunicación con el computador 16
CAPITULO 2ESPECIFICACIONES Y DISEÑO DEL HARDWARE
2.1 Requerimientos del sistema 18
2.1.1 Especificaciones del módulo de interfaz 19
2.1.2 Especificaciones del módulo de protección 20
2.2 Comunicación por pórtico paralelo 21
2.2.1 El pórtico paralelo 21
2.2.1.1 Registro de control 24
2.2.1.2 Registro de status 24
2.2.1.3 Registro de datos 25
2.3 Descripción general del sistema 26
2.4 Módulo de interfaz 27
2.4.1 Fuente de polarización 27
2.4.2 Tarjeta de entrada/salida 28
2.5 Módulo de protección 31
2.5.1 Salidas a alarmas 31
2.5.2 Protección de sobretemperatura 32
2.6 Circuitos auxiliares 33
2.6.1 Salida normalizada de la etapa del sensor 34
2.6.2 Entrada normalizada a la etapa del actuador 35
2.7 Reconstrucción 36
2.7.1 Rediseño del control análogo 36
2.7.2 Reconstrucción de la etapa de display de medición 39
2.7.3 Reconstrucción de la etapa del actuador 41
CAPITULO 3ESPECIFICACIONES Y DISEÑO DEL SOFTWARE
3.1 Selección del lenguaje de programación 42
3.2 Bibliotecas utilizadas 42
3.2.1 Bibliotecas estándar de visual basic 43
3.2.2 Bibliotecas de bajo nivel 43
3.2.3 Bibliotecas de instrumentación 44
3.3 Desarrollo del software de control y comunicación 45
CAPITULO 4PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1 Pruebas realizadas 53
4.1.1 Pruebas de software 53
4.1.1.1 Instalación .del software 53
4.1.1.2 Puesta en marcha del programa 53
4.1.1.3 Desempeño de las opciones del programa 54
4.1.1.4 Pruebas de comunicación y control 54
4.1.2 Pruebas de hardware 54
4.1.2.1 Prueba de comuncicación 54
4.1.2.2 Prueba de respuesta del proceso 54
4.1.2.3 Prueba de las acciones de control 54
4.1.2.4 Prueba de operación de los indicadores 55
4.2 Resultados obtenidos 55
4.2.1 Resultados de las pruebas de Software 55
4.2.1.1 Resultados de la instalación del software 55
4.2.1.2 Resultados de la puesta en marcha del programa 554.2.1.3 Resultados de desempeño de las opciones del programa 55
4.2.1.4 Resultados de las pruebas de comunicación y control 574.2.2 Resultados de las pruebas de hardware 57
4.2.2.1 Resultados de las pruebas de comunicación 57
4.2.2.2 Resultados de las pruebas de respuesta del proceso 57
4.2.2.3 Resultados de las pruebas de las acciones de control 65
4.2.2.4 Resultados de las pruebas de operación de tos indicadores 66
CAPITULO 5CONCLUSIONES
5.1 Evaluación económica 67
5.2 Conclusiones 725.3 Recomendaciones 73
BIBLIOGRAFÍA 76
ANEXOS 77
1. La tabla de f.e.m. del termopar tipo K en función de la temperatura en °C con la
unión de referencia a 0°C.
2. Los diagramas del impreso y de la distribución de los componentes de la TarjetaEntrada/Salida de Datos.
3. Los diagramas del impreso y de la distribución de los componentes de la Tarjetade Alarmas.
4. Los diagramas del impreso y de la distribución de los componentes de la TarjetaProtección de Sobretemperatura.
5. Los diagramas del impreso y de la distribución de los componentes de la Tarjetade Salida Normalizada de la Etapa del Sensor.
6. Los diagramas del impreso y de la distribución de los componentes de la Tarjetade Entrada Normalizada a la Etapa del Actuador.
7. Los diagramas del esquema circuital, del impreso y de la distribución de loscomponentes de la Tarjeta Display de Medición.
8. Información de las bibliotecas de ¡nstrumentación.
9. Manual de operación y calibración.
RESUMEN
Se diseña y se reconstruye un control de temperatura que permite realizar: control
PID analógico, control ON-OFF analógico; y, control PID digital y control ON-OFF
digital con el programa realizado en Visual Basic 6.0 mediante el pórtico paralelo,
para el calentamiento eléctrico de un horno.
El control se basa en el cambio del valor eficaz del voltaje aplicado a las
resistencias de calentamiento eléctrico mediante control de ciclo integral con un
tiristor y el uso de un sensor de temperatura: termocupla tipo K .
DISEÑO Y RECONSTRUCCIÓN DEL CONTROLDE TEMPERATURA DE UN HORNO CON
CALENTAMIENTO ELÉCTRICO
INTRODUCCIÓN
En varios procesos a nivel industrial y doméstico, una de ias variables más comunes
es la temperatura, consecuentemente, muy a menudo es objeto de medición y
control.
La medición de esta variable implica la utilización de un elemento sensor o
transductor, que va a estar en contacto directo con la variable para obtener
información del estado en que se encuentra.
La utilización de computadores y paquetes computacionales innovadores brindan la
alternativa de implementar controles digitales con la facilidad de realizar cualquier
tipo de algoritmos en forma de software, mismos que si se reemplaza por circuitos
analógicos implicarían costos de equipo y elementos y podrían tener serias
restricciones.
En la presente tesis para realizar el estudio de esta variable se cuenta con un
horno, el mismo que funciona con electricidad. Se utiliza el programa Visual Basic
6.0 para Windows, que es un paquete computacional que permite presentar en
pantalla elementos muy parecidos a los elementos reales de medida, indicación,
pulsantes, etc.; aprovechando las facilidades propias del programa para manejar
¡os recursos del computador.
Como el presente trabajo de tesis es el control de temperatura mediante un control
desde el computador, para esto es necesario tener un medio de comunicación
desde el computador hacia el hardware de control. En el desarrollo de esta tesis
se ha utilizado el pórtico paralelo que es una gran alternativa para comunicación del
computador hacia el exterior. El pórtico paralelo por su facilidad de uso, su alta
velocidad de transmisión de datos y su cómodo acceso es uno de los medios más
utilizados para conectar dispositivos externos con el computador. Una desventaja
es su corto alcance para la transmisión de datos, pero como este equipo será para
uso del laboratorio de instrumentación esto no es ningún inconveniente.
Se han planteado los siguientes objetivos para desarrollar e! presente trabajo de
tesis:
• Investigación del estado actual del horno del Laboratorio de Instrumentación,
principalmente de las resistencias calefactoras de alta temperatura por cuanto
algunas se han fundido.
• -Diseño y construcción de un actuador con entradas normalizadas y alimentación
trifásica a las resistencias calefactoras, incorporando un sistema de
protecciones de sobretemperatura.
• Diseño y construcción de un lazo de temperatura locai con la variante que puede
ser controlada por computador.
Para el tratamiento del tema se han desarrollado cinco capítulos.
En el primer capítulo se hace una introducción teórica de algunos criterios sobre el
sensor y su utilización, los modos de control, y la discretización del algoritmo de
control y la comunicación con el computador, criterios que se van a necesitar en el
desarrollo de esta tesis.
En el segundo capítulo se describen los requirimientos y especificaciones del
equipo y se realiza el diseño del hardware que consta de dos módulos: el primero
denominado módulo de interfaz donde se encuentra una tarjeta de entrada/salida de
datos con su respectiva fuente de polarización y el segundo denominado módulo de
protección donde se encuentran la tarjeta de alarmas para control on-off y pid, y la
tarjeta de protección de sobreíemperaíura que protege a las resistencias
calefactoras del horno. Además se indica la comunicación por pórtico paralelo, el
diseño de circuitos auxiliares utilizados para la normalización de la entrada a la
etapa del actuador y normalización de la salida de la etapa del sensor. Como
también se indica los equipos reconstruidos y rediseñados pertenecientes a una
tesis anterior.
En el capítulo tres se plantean los requerimientos y especificaciones del software
para el computador personal que se desarrolla utilizando el programa Visual Basic
6.0 para Windows, se indican las bibliotecas utilizadas y el desarrollo del software
de control y comunicación.
En el capítulo cuatro se presentan las pruebas y resultados del software y
hardware.
El capítulo cinco está dedicado a la evaluación económica, conclusiones y
recomendaciones obtenidas del desarrollo de esta tesis.
Al final se presenta la bibliografía y los anexos, en los anexos se puede encontrar,
tablas, diagramas circuitales, diagramas de los impresos.así como la distribución
de elementos en las tarjetas, e información de las bibliotecas de instrumentación.
Cabe mencionar que el programa desarrollado para el computador debido a su
forma de programación no es posible dejar un listado, razón por la que adjunto a la
tesis se encuentran los dos diskettes instaladores correspondientes al programa
ejecutable PAUL.EXE y un disket correspondiente al código fuente.
CAPITULO 1
CRITERIOS DE LA INSTRUMENTACIÓN, ALGORITMOS DE.CONTROL Y LA COMUNICACIÓN CON EL COMPUTADOR
1.1 EL ELEMENTO SENSOR
La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más
importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones de la
medición quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la
velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de
medida y e! aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o
controlador necesarios.
Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son
influidos por la temperatura entre los cuales figuran:
a. variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases)
b. variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia)
c. variación de resistencia de un semiconductor (termistores)
d. fuerza eíéctro motriz (f.e.rn.) creada en la unión de dos metales distintos
(termopares o termocuplas)
e. intensidad de radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación)
f. oíros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas,
frecuencia de resonancia de un cristal..)
1.1.1 LA TERMOCUPLA COMO ELEMENTO SENSOR
La termocupla o termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck, que
consiste en la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales
diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría)
se mantienen a distinta temperatura (Figura 1.1). Esta circulación de corriente
obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca
la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una
corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en liberación
o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo
en el que existe una gradiente de temperatura.
METALA
UniónCallenteoUnión deMedida
Unión FríaoUnión deReferencia
METAL B
Figura 1.1 Efecto Seebeck
Sí el circuito de la Figura 1.1, es abierto en la unión fría, el voltaje neto de circuito
abierto (voltaje Seebeck) que se mediría en estos- extremos es una función de ia
temperatura de la unión y de la composición de los dos metales, como se puede
observar en la Figura 1.2.
METALA
Vab
METAL B
Vab = Voltaje Seebeck
Figura 1.2 Voltaje Seebeck
Para pequeños cambios de temperatura, el voltaje es linealmente proporcional a la
temperatura,
Vab = a * T
donde:
a coeficiente Seebeck [jaV/°C]
La Tabla No 1,1 indica los termopares más comunes, el coeficiente Seebeck que
pueden desarrollar, el color de los termínales asi como de la cubierta y el intervalo
de temperatura en la que pueden trabajar satisfactoriamente.
Tipo
Tipo E
Cromel-
Constantán
Tipo T
Cobre»
Conatantán
Tipo J
Hierro-
Constantán
Tipo K
Cromel-
Alumel
Tipo R
Pt-Pt/Rd
13%
Tipo S
Pt-Pt/Rd
10%
Intervalo
de medida
m
O a 900
»200 a 0
0 a 350
-200 a 0
O a 7 5 0
0 a 1250
-200 a 0
0 a 1450
0 a 1450
Error
Estand.
1.7°C
ó 0.5%
1.7°C
ó 1%
1°C
ó 0.75%
1°C
ó 1.5%
2.2°C
0.75%
2.2°C
ó 0.75%
2.2°C
02%
1.5°C
ó 0.25%
1.5°C
ó 0.25%
Coef.
Seeb.
[M-V/°C]
a 20°c
62
40
51
40
7
7
Color
Termi-
nal
+
Purpura
Azul
Blanco
Amari-
llo
Blanco
Blanco
Color
Termi-
nal
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Blanco
Blanco
Color
Cubierta
Cafe
Cafe
Cafe
Cafe
Blanco
Blanco
Tabla No 1.1 Termopares
El termopar tipo K de cromel-alumel se recomienda en atmósferas oxidantes y a
temperaturas de trabajo entre 500 y 1000°C. No debe ser utilizado en atmósferas
reductoras, ni sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo o vaina de
protección.
Cuando el termopar está instalado a una distancia larga del instrumento, no se
conecta directamente ai mismo sino por medio de un cable de extensión. Los
cables de extensión son conductores con propiedades eléctricas similares a las del
termopar hasta ciertos límites de temperatura (O - 200°C),
La Tabla No 1.2 índica los tipos de cables de extensión más comunes, el rango de
temperatura y el color de los terminales asi como de cubierta. Para termopares
tipo K se utilizan los conductores tipo K o tipo T. -
Cable de
Extensión
Tipo
Tipo E
Tipo T
Tipo J
Tipo K
Tipo R
Tipo S
Temperatura
[°C]
O a 200
-60a 100
0-200
0-200
O a 150
O a 150
Color
Terminal+
Purpura
Azul
Blanco
Amarillo
Negro
Negro
Color
Terminal
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Color
Cubierta
Purpura
Azul
Negro
Amarillo
Verde
Verde
Tabla No 1.2 Cables de extensión
El termopar tipo K se toma como sensor de temperatura en este trabajo. La tabla
de f.e.m. del termopar tipo K en función de la temperatura en °C con la unión de
referencia a 0°C se encuentra en el Anexo 1.
1.2 BREVE ESTUDIO DE LAS ACCIONES TÍPICAS PARA ELCONTROL DE TEMPERATURA
Un sistema de control en general, se puede ver en la Figura 1.3 que consta de:
Planta
Sensor
Acondicionador de Señal
Controlador
Actuador
ym
Fig 1.3 Esquema básico de control por realimentación.
donde:
r = referencia
e = error ( e - r - ym )
u = señal de control
m = variable manipulada
y = variable controlada
ym = variable medida
E! sensor, en este caso, deberá ser seleccionado de acuerdo a los rangos de
temperatura en que se desea trabajar, su linealidad, velocidad de respuesta, etc.
El acondicionador de señal puede ser parte del controlador, y lo que hace es llevar
la respuesta del sensor a niveles adecuados de corriente o. voltaje que puedan ser
manejados por el controlador.
El controlador toma la señal acondicionada del sensor, que le da la información
necesaria de la variable controlada, la compara con una referencia y determina el
error a partir del cua! torna decisiones para corregirlo, entregando señales
discretas o continuas en valores normalizados que van hacia el actuador.
El actuador tomando las señales que le entrega el controlador ejerce su acción
sobre la variable manipulada para corregir el error.
Los siguientes aspectos podrían ser considerados en (a selección de un controlador
de temperatura:
• Tipo de sensor de entrada (termocupla, RTD, otros) y rango de temperatura.• Tipo(s) de salida(s) requenda(s), relé electromecánico, analógico, digital.
• Algoritmo de control que se necesita (ON/OFF. PID).
1.2.1 ALGORITMOS DE CONTROL
1.2.1.1 Control ON-OFF
Un controlador on-off es la forma más simple de control, la salida del equipo está
encendida (on) o apagada (off) y no existe un estado intermedio. Un controladoron-off activará la salida solo cuando la variable controlada cruce la referencia.
Para un control de calentamiento, la salida estará activada cuando la temperatura
esté abajo de la referencia, y apagada, arriba de ésta.
Desde el momento en que la temperatura atraviesa la referencia, la salida cambia
de estado, el proceso de temperatura puede ir cíclicamente de abajo hacia arriba y
volver hacía abajo. En casos en que este ciclo ocurre rápidamente, y para prevenir
daños en los contactores, se añade un control on-off diferencial o histéresis al
proceso de control. Este diferencial requiere que la temperatura de referencia esté
comprendida entre sus valores máximo y mínimo, evitando así cambios rápidos a !a
salida.
variable controlada
Rcf histéresís
Off
Rcf
Fig 1A Contol ON/OFF con histéresis.
10
La histéresis mantiene el valor anterior sin ejercer ninguna acción de control
mientras el valor de la variable controlada se encuentra dentro de la zona muerta o
histéresis.
Un control on-off es usado donde no es necesario un control preciso de la
temperatura, donde los cambios de temperatura son extremadamente lentos.
1.2.1.2 Control Proporcional
En esta modalidad de control existe una relación continua lineal entre la entrada del
controfador y la señal de salida que este produce.
u(t) = Kp * e(t)
La ganancia del controlador es el factor Kp, al que también se lo conoce como
constante proporcional. La magnitud de Kp indica el cambio en la señal de control
u(t) por cambio en la señal de error e(t).
El mecanismo de ajuste en muchos controladores industriales no se expresa en
términos de constante proporcional, sino como banda proporcional (PB). La banda
proporcional se define como la proyección de la señal de entrada que corresponde
a un cambio completo en la señal de salida. Esto es usualmente expresado como
un porcentaje. La banda proporcional se relaciona con la ganancia mediante ia
siguiente relación;
PB%-(1/Kp)*100
En la práctica bandas anchas corresponden a respuestas menos sensitivas y
bandas angostas a respuestas más sensitivas.
El control proporcional reacciona muy rápidamente frente a una modificación de la
variable de referencia y tiende a corregirla(comportamiento inicial), pero presenta
una desventaja significativa y es que no es capaz de corregir una desviación
permanente (offset), produciendo una diferencia permanente en el estado
estacionario entre el valor deseado y el valor de la variable controlada.
El control proporcional es muy simple y fácil de utilizar ya que solo existe un
parámetro para ajustar, que es la ganancia.
11
En un sistema de control proporcional se obtiene un nuevo estado estacionario más
próximo al valor de referencia que el control on-off. Al controlar la potencia
calefactora de forma proporciona! al error se consigue reducir la banda
proporcional a valores muy bajos. Básicamente en un control de este tipo la
potencia calefactora va disminuyendo conforme el error se hace cada vez más
pequeño; es decir, cuanto más se acerca la temperatura medida a la temperatura
prefijada.
1.2.1.3 Control Proporcional-Integral-Diferencial
El controlador proporcional integral derivativo, o PID, combina el control
proporciona! con dos ajustes adicionales, los cuales ayudan a que la unidad
compense automáticamente los cambios en el sistema. Estos ajustes integral y
derivativo son expresados en unidades de base de tiempo que son referidos como
RESET y RATE respectivamente.
La ley de control PID está dada por:
u(t) = Kp*e(t) + Kp*Td *de(t)/dt +(Kp/Ti)/e(t)dt
donde:
u(t) es la señal de control
e(t) es el error (referencia menos señal controlada)
Kp constante proporcional o Ganancia del controlador
Ti constante de tiempo integral
Td constante de tiempo derivativo
La función de transferencia es:
U(S) 1= Kp [ 1 + Td S + ]
E(S) TiS
donde:
Ki = 1/Ti constante integral
Kd = Td constante derivativa
12
Los términos proporcional integral derivativo pueden ser ajustados individualmente o
seleccionados para un sistema particular, usando un método de error. Esto proveeuna mejor aproximación y un control estable, es el más utilizado en los sistemas en
que se tiene masas pequeñas que reaccionan relativamente rápido a los cambios
de energía añadidos al proceso. Este controlador es recomendado en sistemas
donde la carga cambia muy a menudo y se necesita compensar automáticamente
frecuentes cambios.
Rate y Reset son procediminetos usados por los controladores para compensar el
offset y cambios en la temperatura. La diferencia entre temperatura estable y
punto de referencia es llamada error (offset). Este offset puede ser compensadoen forma manual o automática. Usando un reset manual, el usuario cambia la
banda proporcional para que el proceso se estabilize en la referencia de
temperatura. Reset automático, también conocido como integral, integrará la señal
de desviación con respecto del tiempo y la integración es sumada con la señal dedesviación para cambiar la bandad proporcional. La salida de potencia es además
incrementada o decrementada para regresar al proceso a la temperatura de
referencia.
El procedimiento rate o derivada provee al controlador la habilidad de cambiar la
banda proporcional para compensar cambios rápidos de temperatura. La variación
del cambio es proporcional a la derivada del cambio de temperatura.
Un PID, o controlador de tres modos, combina las acciones proporcional, Integral
(reset) y derivada (rate), y es usualmente requerido para controlar procesos
complicados.
1.2.2 SALIDAS DE LOS CONTROLADORES
Las salidas de un controlador más comunes son: proporcional al tiempo yanalógicas.
Una salida proporcional al tiempo aplica la potencia a la carga por un porcentaje del
cambio del ciclo de tiempo, como se indica en la Figura 1.5.
13
on
off
ciclo de tiempo
Figura 1.5 Control Proporcional en ciclos de tiempo
Las salidas proporcionales al tiempo pueden venir en tres formas:
- relés electromecánicos
- triac
- relé de estado sólido
El relé electromecánico: la gran ventaja de este sistema reside en su sencillez y
robustez eléctrica; es el más económico y generalmente se escoge para sistemas
con ciclos de tiempo mayores de 10 segundos, y cargas reducidas para evitar que
la vida de los contactos disminuya.
El triac y los relés de estado sólido tienen sobre el relé electromecánico la ventaja
de su mayor duración y rapidez de respuesta debido a que no contiene partes
móviles, es recomendado para sistemas con ciclos de tiempo cortos.
El relé de estado sólido (optoacopladores: optotriac, optoscr, etc.) es un dispositivo
que tiene dos circuitos separados galvánicamente: eí circuito de potencia y el
circuito de control. Los optoacopladores con fotoscr o fototriac son adecuados
para manejar voltajes AC, su limitante es la capacidad de corriente que puede
circular a través de ellos. Para mejorar la capacidad de corriente este
optoacoplador se encarga de manejar un circuito de potencia que se basa en la
utilización de un interruptor de silicio: tiristor, triac, ser, etc., la señal de control de
un relé de estado sólido es un pulso de voltaje en de.
Una salida analógica es usualmente un voltaje analógico (O a 5 Vdc) o corriente
(4mA a 20mA). El nivel de este tipo de salida es dado por el control de
temperatura, que utiliza controladores de potencia que entregan la energía al
sistema de manera proporcional y continua a la señal que reciben del control de
temperatura.
14
1.3 DISCRETIZACION DE LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA
El algoritmo de control digital puede ser representado por el diagrama de bloques
que se muestra en la Figura 1,6. La entrada del controlador digital es una
secuencia de números de la forma e(kT). El controlador digital Gc(z) efectúa cierta
operación lineal en la secuencia e(kT) y se obtiene a la salida la secuencia u(kT).
ReferenciaGc(z]
error
z=kt
Figura 1.6 Diagrama de bloques del Controlador Digital
La función de transferencia del controlador digital se define como:
Gc(z) - U(z)/E(z)
El requerimiento "a priori" en el diseño del controlador digital es que la función de
transferencia Gc(z) debe ser físicamente realizable. La condición para que un
sistema sea físicamente realizable es que la señal de salida no puede aparecer
antes de tener una señal en la entrada. Si tenemos la función de transferencia
Gc(z) expresada como un polinomio en z.
6c(Z) =
Expandiendo Gc(Z) en una serie de potencias en Z""1, los coeficientes de las dos
series representan los valores ponderados del controlador digital. E! coeficiente del
término Z"^ (k=0,1, 2...) corresponden a los valores de la secuencia ponderada en
t = kT. Tomando en cuenta que para que el controlador digital sea físicamente
realizable la expresión de las series de potencias de Gc(Z) no debe tener ninguna
15
potencia positiva en Z, que indicaría predicción o simplemente que la salida precede
a la entrada. Por io tanto se debe cumplir que n £ m.
Para un control PID se tiene:
U(S) Ki
---- = Kp [ 1 + Kd S + — ]
E(S) S
Aplicando el método de discretización, para el término integral se utiliza TUSTIN, y
para el término derivativo, el método de Integración RECTANGULAR HACIA
ADELANTE.
U(Z) Z-1 T Z+1
--- = Kp [ 1 + Kd ----- + Ki --------- ]
E(Z) TZ 2 Z-1
donde:
T tiempo de muestreo
U(Z) 2TZ(Z-1 )+2Kd(Z-1 )2+K¡T2Z(Z+1 )=z k"n r _ _ _ __„_ __ _ __ __ ir\[j i — — — j
E(Z) 2TZ(Z-1)
U(Z) 2TZ2-2TZ+2KdZ2-4ZKd+2Kd+KiT2Z2+K¡T2Z- Kn r . ._ „ __„ 1"^H L J
E(Z) 2TZ2-2TZ
U(Z) Z2(2T+2Kd+KiT2)+Z(K¡T2-2T-4Kd)+2KD- Kn f — 1
TNP L J
E(Z) 2TZ2-2TZ
haciendo:
16
2T+2Kd+KiT2
bo = Kp
2T
K¡T2-2T-4Kd
—~
2T
2KD
b2 = Kp
2T
se tiene;
U(Z) bo+Z-1b1+Z-2b2
E(Z) 1-Z-1
U(Z) = Z-1 U(Z)+b0E(Z)+Z-1 E(Z)b1 +Z-2E(Z)b2
u(k) = u(k-1)4-b0e(k)H-b1e(k-1)+b2e(k-2)
e(k) - r(k) - y(k)
La ecuación de diferencias obtenida constituye el algoritmo de control a ser
implementado.
1.4 COMUNICACIÓN CON EL COMPUTADOR
Se puso como requisito del presente trabajo que el control se realizará desde el
computador. Para esto es necesario tener un medio de comunicación hacia el
hardware de control y en este sentido se analizan las siguientes alternativas.
18
CAPITULO 2
ESPECIFICACIONES Y DISEÑO DEL HARDWARE
2.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
En este trabajo de tesis se presenta ei diseño y construcción de un control de
temperatura utilizando un computador como herramienta principal del sistema.
mPórticoparalelo
MODULODEPROTECCIÓN
acondicionamientode señal:entrada/salidas
H
señal desobreternperatura
monitorea el sistemacalcula y ejecuta lasacciones de controly da todas las facili-dades al usuario
MODULO DEINTERFAZ
{ acondlc,
Figura 2.1 Diagrama de bloques del sistema de control de temperatura.
Et sistema deberá cumplir con las siguientes características:
El sistema constará de tres elementos claramente diferenciables: el computador, el
módulo de interfaz y el módulo de protección, cada uno de ellos dará la suficiente
información de acuerdo a la función que cumplen.
El Módulo de Interfaz utilizará la señal proveniente de la Etapa de acondicionar y
linealizar la señal del sensor (termocupla tipo K), equipo existente en el laboratorio
de Instrumentación perteneciente a una tesis anterior, que ha sido modificada en su
salida para que entregue una señal de O a 5 VDC.
El Módulo de Interfaz entregará cuatro salidas al Módulo de Protección, dos para
activar alarmas mediante relés y dos para polarización (12VDC y GND) de la tarjeta
19
de alarmas; y una salida analógica de O a 5 VDC a la Etapa del Actuador que
pertenece a una tesis anterior y que ha sido reparada y modificada en su entrada
para que acepte la señal proveniente del Módulo de Interfaz.
El Módulo de Protección utilizará la señal de O a 10 VDC proveniente de la Etapa
de acondicionar y lineaiízar la señal del sensor (termocupla tipo K), para desactivar
un contactor trifásico en caso de sobretemperatura. La polarización para la tarjeta
de protección de sobretemperatura se toma de la Etapa de Polarización, equipoexistente en el laboratorio de Instrumentación perteneciente a una tesis anterior
El sistema deberá permitir al usuario todas las facilidades para su utilización y
ofrecer garantías de seguridad en cuanto al manejo de parámetros importantes.
El sistema deberá permitir la selección del tipo de control: On-Off o PID.
En ei computador se desarrollará un programa utilizando el paquete Visual Basic
6.0 que corre bajo Windows 95 y Windows 98, de tal manera que monitorea al
sistema y brinde todas las facilidades de control y ayudas gráficas a! usuario, a la
vez que mantiene una comunicación permanente a través del pórtico paralelo (LPT1
o LPT2) con ei módulo de interfaz y por lo tanto con la planta.
El módulo de interfaz estará basado en la utilización de conversores A/D , D/A y los
circuitos necesarios para la medición de la señal de entrada, para la salida de la
señal de control, manejo de alarmas e interfaz al puerto paralelo. La polarización
de los circuitos se hará a través de una fuente con salidas +12VDC y +5VDC, la
misma que para su funcionamiento deberá ser alimentada por la red
(110VAC/60Hz). A disposición del usuario se dejarán terminales externas que
facilitarán la conexión del equipo al acondicionador de señal (sensor) y de las-
salidas al actuador y alarmas, de acuerdo a las necesidades del usuario.
2.1.1 ESPECIFICACIONES DEL MODULO DE INTERFAZ
Rangos de Control:• 0°C- 1250°C
Presíción:• ±5°C
20
Entrada: del sensor de temperatura Termocupia Tipo K, a través de ia Etapa deacondicionar y linealizar la señal del sensor.
Salidas:• una analógica: O a 5 VDC
• dos a relés: O a 5 VDC
• dos de polarización: 12 VDC y GND
Acciones de control:• P proporcional• Pl proporciona! integraí
• P!D proporcional - integral - derivativa
• ON/OFF on-off con histerésis
Tamaño:• alto 10 cm
• ancho 16cm• profundidad 16 cm
2.1.2 ESPECIFICACIONES DEL MODULO DE PROTECCIÓN
Rangos de Control:• 0°C - Temperatura máxima de protección
Entrada:• cuatro de alimentación: tres fases (R ,S y T) y neutro.
• una para desactivar al relé de 120VAC 3-fases mediante la tarjeta de
protección de sobretemperatura, que llega del sensor de temperatura
Termocupia Tipo K, a través de la Etapa de acondicionar y iínealizar la señal delsensor.
• dos de polarización para la tarjeta de protección de sobretemperatura, que
proviene de la Etapa de Polarización (equipo existente en el laboratorio de
Instrumentación perteneciente a una tesis anterior).• dos de polarización para la tarjeta de alarmas, que proviene del módulo de
interfaz.
21
Salidas:
• cuatro de alimentación: tres fases (R ,S y T) y neutro, para ef actuador,
• dos a alarmas.
• una de alimentación (120 VAC) para la Etapa de Polarización del equipo
existente en el laboratorio de Instrumentación perteneciente a una tesis anterior.
Alarmas: de alta temperatura y baja temperatura: mediante la activación de un
relé de 12VDC en la bobina y 12QVAC/60Hz-15A en el contactor asociado, que
alimenta a un relé de120VAC en ia bobina y 120VAC/60Hz-15A en los dos
contactores asocidados.
Acciones de control:
• ON/OFF on-off sin histerésis
Tamaño:
• alto 11.5 cm
• ancho 15.0 cm
• profundidad 22.5 cm
2.2 COMUNICACIÓN POR PÓRTICO PARALELO
Para realizar el control por el pórtico paralelo, primero se debe saber que es y
como funciona el pórtico paralelo.
2.2.1 EL PÓRTICO PARALELO
El propósito origina! de este puerto fue tener una interface para que el computador
pueda comunicarse con la impresora. El pórtico paralelo estándar tiene ocho
salidas (líneas de datos), cinco entradas (líneas de status) y cuatro líneas
bidireccionales (líneas de control). Estas líneas pueden ser utilizadas para
adquisición de datos, monitoreo, control y varias otras aplicaciones, la distribución
de estas líneas se indica en la Figura 2.2.
Por lo general los computadores tienen al menos un pórtico paralelo al que se le
denomina LPT1. Se lo distingue por su salida que es un conector DB25 hembra.
Existen computadores con más de un pórtico paralelo. Si es necesario es posible
22
incrementar pórticos paralelos mediante tarjetas de expansión. El computador
puede tener hasta cuatro pórticos paralelos que se denominan LPT1, LPT2, LPT3,
LPT4.
C0PÓRTICO PRRPLELOi r^--.
14GI D0 C-
S3 15DI
C2D2
C3D3
D
D5
DG
D7
SE
S7
SB
S4
3IB4-17E18E19720B2192210231124122S13
— o— o
CONNECTOR DB2E
Fig 2.2 Distribución de pines en el conector DB-25 del pórtico paralelo
Las direcciones base en la que se encuentran estos pórticos pueden ser SBCh,
378h o 278h para LPT1; 378h o 278h para LPT2; 278h para LPT3; e! pórtico
LPT4 raramente se usa.
El BIOS (Basic Input Output System) del computador almacena las direcciones de
los pórticos en una tabla de memoria ubicada entre 408h y 40Fh. Para LPT1 los
bytes de dirección los almacena en 408h y 409h¡ para LPT2 en 40Ah y 40Bhí y así
sucesivamente como se observa en la siguiente Tabla No 2.1.
408 409
LPT1
Byte
BajoByte
Alto
40A 40 B
LPT2
Byte
BajoByte
Alto
40C 40D
LPT3
Byte
BajoByte
Alto
Tabla No 2.1 Direcciones de los pórticos
23
Por ejemplo se puede tener los siguientes valores, como se indica en la tabla No
2.2.
408
78
409
03
40A
78
40 B
02
40C
00
40D
00
Tabla No 2.2
De donde se determina que LPT1 se encuentra en la dirección 378h, LPT2 en 278h
y LPT3 no existe.
Las entradas y salidas del pórtico se dividen en tres grupos Registros de datos, de
status y de control, en la Tabla No 2,3 se indica sus características.
Pin DB-25
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18-25
Señal
-STB
DO
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
-ACK
BSY
PE
SEL
-AUTOLF
-ERR
-INIT
-SELIN
GND
Función
Strobe
Data bit 0
Data bit 1
Data bit 2
Data bit 3
Data bit 4
Data bit 5
Data bit 6
Data bit 7
Acknowledge
Printer Busy
Paper End
Printer Selected
Auto Line Peed
Error
Initialize Printer
Select Printer
Ground
I/O
I/O
0*
0*
0*
o*o*o*0*
O"
iIII
l/O
Il/O
l/O
I
Registro
Control
Data
Data
Data
Data
Data
Data
Data
Data
Status
Status
Status
Status
Control
Status
Control
Control
-
Bit
0
0
1
2
3
4
5
6
7
6
7
5
4
1
3
2
3_
Invertido
Y
N
N
N
N
N
N
N
N
N
Y
N
N
Y
N
N
Y
N
* Algunos pórticos son bidireccionales.
Tabla No 2.3 Registros de entrada y salida del pórtico paralelo
24
2.2.1.1 Registro de Control
El pórtico paralelo tiene cuatro líneas bidireccionales en el registro de control cuya
dirección es dirección base + 2, o 37Ah para un pórtico con dirección base 378h.
Estas cuatro líneas se pueden utilizar como entradas o salidas indistintamente.
Utilizan los bits del O al 3 de! registro y los pines 1, 14, 16 y 17 del conector DB-25.
Este registro tiene bits invertidos, por lo que es necesario realizar inversiones para
poder escribir el valor deseado en los bits del pórtico. En este registro solo el bit 2
no es invertido. Para escribir un dato correctamente se debe realizar
enmascaramientos; por ejemplo, realizar un XOR con OBh (0000 1011).
Para leer los datos que ingresan por el registro de control, se sigue un
procedimiento igual. El dato leído debe enmascararse mediante un XOR con OBh.
En nuestro caso las línea de control se utilizan para escribir datos en el pórtico
paralelo, los cuales darán la orden de lectura y escritura a la tarjeta de
entrada/salida de datos y para la activación de alarmas.
Se utiliza la línea de control CO para controlar los conversores de la tarjeta de
entrada/salida y poder realizar la lectura y escritura de los datos digitales, la línea
C1 para la lectura de cuatro bits y las líneas de control C2 y C3 para activar las
alarmas de sobre temperatura y baja temperatura respectivamente del módulo de
protección.
2.2.1.2 Registro de Status
Son cinco líneas de entrada que forman el registro de status, cuya dirección es
dirección base + 1 o 379h para un pórtico con la dirección base 378h. Este registro
es solo de lectura. Si se escribe en el registro no se produce ningún cambio.
Las líneas de status usan los bits del 3 al 7, que corresponden a los pines del 10 al
13 y el pin 15 del conector DB-25. Los bits 0,1,2 no son usados.
La lectura de ios bits de status es de la siguiente manera, del bit 3 al 6 se leen
normalmente, el bit 7 es el complemento lógico del estado que se desea leer (pin
11).
26
control de temperatura del horno con calentamiento eléctrico mediante la etapa del
actuador.
23 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA
El sistema a desarrollarse, como se vio anteriormente, tiene dos componentes:
hardware o equipo a diseñarse y construirse y el software o programa para el
• computador. En este capítulo se desarrollarán las especificaciones y diseño del
hardware del módulo de interfazy el módulo de protecciones.
El Módulo de Interfaz, cumple con las siguientes tareas básicas:
• Acondicionamiento y adquisición de la señal del sensor.
• Poner disponibles salidas normalizadas para utilizar en los actuadores y por lo
tanto en la planta.
• Comunicación permanente con el computador via pórtico paralelo, garantizando
el cierre del lazo de control.
El módulo de interfaz consta de:
• fuente de polarización.
• tarjeta de entrada/salida.
Fuente de polarización, este circuito se alimenta directamente de la red 110
VAC/GOHz, y consta básicamente de un transformador de 120 VAC a 6-0-S
VAC/2A, un rectificador de onda completa, un filtro (condensador), y reguladores
de-M2VDC y+5VDC.
Tarjeta de entrada/salida, se encarga de tomar la señai acondicionada
proveniente del sensor, que llega de C a 5 VDC, y convertirla en señal digital que
es transmitida al computador personal por medio del pórtico paralelo y se encarga
de tomar la señal proveniente del computador personal por medio del pórtico
paralelo y covertirla a una señal analógica de O a 5 VDC, y dos salidas a relé (para
alarma de baja y alta temperatura).
El Módulo de Protección, cumple con las siguientes tareas básicas:
• desconectar la planta si existe una sobretemperatura.
• encender las alarmas para baja y alta temperatura cuando se trabaja con
control on-off o pid.
El módulo de protección consta de:
• salidas a alarmas
• protección de sobretemperatura
Salidas a alarmas de alta temperatura y baja temperatura: mediante la activación
de relés de 12VDC en la bobina y 120VAC/60Hz-15A en el contactor asociado,
que activa a relés de 120VAC en la bobina y 120VAC/60HZ-15A en los dos
contactores asociados, con señal proveniente del módulo de interfaz cuando trabaja
en control on-off o PID.
Protección de sobretemperatura desactiva un relé de 12VDC en la bobina y
120VAC/6QHZ-15A en el contactor que desactiva a un contactor trifásico de 35A
con bobina de 120VAC/60Hz, mediante una señal de O a 10 VDC proveniente de la
Etapa de acondicionar y lineaiizar la señal del sensor que se compara con voltaje
de referencia de cierta temperatura máxima de protección.
2,4 MODULO DE INTERFAZ
2.4.1 FUENTE DE POLARIZACIÓN
Para determinar el consumo de corriente, se tiene la siguiente Tabla No 2.5;
No
2
8
2
6
DESCRIPCIÓN ELEMENTO
leds
Ci. tipoTTL
relés 12VDC
diodos
TOTAL
CONSUMO 1
lümA1GmA
30mA
10mA
TOTAL
20mA
80mA
60mA
60mA
220mA
Tabla No 2.5 Consumo de corriente
Los elementos van a utilizar voltajes DC de 12 VDC para todo lo que implica
tratamiento de la señal en forma analógica, y 5 VDC para la tecnología TTL, Para
obtener estos valores de voltajes y de corriente se necesita de un transformador de
120VAC de entrada y de 6-0-6 VAC/2A de salida. Además, estos voltajes van a
28
ser constantes, por lo que se necesita de fuentes reguladas de voltaje; para +5VDC
el LM7805 y para +12VDC el LM7812, E! circuito de polarización de voltaje es el
que se indica en la Figura 2.3.
1 1
4jE<v
Á
IB „
es m-Q-SPC/2P)
^
2 'L DIk Á
1 !
eD3 1
fc. A
i
D2k
*"
2D4
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1
i
a laasuF2SV
DI , DE, D3, D4: 1N4O04
R3
+l£VO-i
n330 LEOS
RB
1K L.ED1 -
U4LM7S0B
í_rj2 0 . iuF
LJ3 ~~TLM7S1SVI G VO •— O+I2W
~~|a t3. IuF
Figura 2.3 Circuito de la fuente de polarización
2.4.2 TARJETA DE ENTRADA/SALIDA
Está constituida por el conversón análogo digital (ADC0808M), conversor digitalanálogo, un Latch 'D1 SN74LS373, un Driver de 3 estados SN74LS244, un
disparador de Schmitt con inversión (74HC14), un amplificador operacional
(LM324), dos potenciómetros multivuelta, resistencias y un capacitor.
La tarjeta pone a disposición del usuario :
• una entrada analógica de O a 5 VDC que toma el conversor A/D de 8 bits para
lectura de datos.
• una salida analógica de O a 5 VDC proveniente de un conversor D/A de 8 bits
para control.
• una terminal de 16 pines para comunicación por pórtico paralela.• dos salidas lógicas proveniente del pórtico paralelo para activar alarmas.
29
En la Figura 2.4 se indica el circuito de la tarjeta entrada/salida de datos para
realizar el control. El conversor análogo digital necesita de una señal de reloj, para
ello se utiliza el 74HC14, que es un disparador schmitt inversor, con un circuito RC,
formando un oscilador aestable que permite una frecuencia de 500 KHz, dando
valores de R7 = 1Ky C1 = O.OOluF en el circuito.
F = 0.7/(RC)
El conversor anólogo digital maneja ocho entradas analógicas (INo a INy) de O a 5
VDC, de las cuales solo ocupa la INo. Para esto están a tierra los bits de
direcciones AO,A1}A2. Para que se produzca la lectura de un dato, el pin 9 (OE)
habilitación de salida debe estar en un estado lógico alto (+5VDC), el pin 6
(START) inicio y el pin 22 (ALE) habilitación de la dirección del latch deben recibir
un dato lógico alto desde la línea de control CO (pin 1 del conector DB-25) del
pórtico paralelo.
Para leer un dato digital el pórtico envía primero un dato lógico bajo por la línea de
control C1 (pin 14 del conector DB-25) para leer los 4 bits bajos y luego envía un
dato lógico alto por la misma línea de control para leer los 4 bits altos.
El conversor digital-análogo esta formado de un circuito integrado SN74LS373 que
permite el paso de los datos digitales a la salida cuando recibe un dato lógico bajo
en el pin 11 (Enable G) desde la línea de control CO (pin 1 del conector DB-25) del
pórtico paralelo y mientras el pin 1 (Output Control) se encuentra en un estado
lógico bajo y está formado de una escalera R-2R donde los valores de las
resistencias son de 11OK y 220K. Además necesita de dos amplificadores
operacionales LM324 a la salida de la escalera R-2R para poder entregar un voltaje
analógico, el cual se ajusta mediante un potenciómetro de 100K multivuelta para
obtener un voltaje de O a 5V.
Para activar las alarmas de alta temperatura y de baja temperatura, el computadorenvía los datos lógicos altos a través de las líneas de control C2 (pin 16 del
conector DB-25) del pórtico paralelo y C3 (pin 17 del conector DB-25) del pórtico
paralelo respectivamente.
Los diagramas de los impresos y de la distribución de los componentes de la tarjeta
entrada/salida de datos se encuentran en el Anexo 2.
30
0
0
0
0
0
0
0
0
0
a0
VPf
¿\1
v1817141387
1 4! 3
JP1
C 3CSC 7C 9
-^ Í.-L
la
W-2°tir
J 3_uEnlJ-_HLIcJ5_°Tl8
1 6°" 19
7°""20~
8U21 ,
g
i"2~frU°-"TzT.TuF-1
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20 C30 d40 C50 C60— C70 C80 C90 C
1
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R17 61 A A A 2
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SX74LS373 U 2 }A A V Y Jk V V
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4
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14 3 CALIi & D CAL2
)ER 8X2
JP1
i 23 45 67 89 1011 1213 1415 16
3 0153 0133 0123 0103 0143 Oí3 0173 016
H£AD£R 8X2
PARALA 0
r ¿IJ. trtí. ,r- on
5 ->y7 IAT ¿3 ¿O,' ¿T-í *ÍU* 1? 2,° ^Yfl flM lí x
,c , 1 _ SS ÍL, i -42* - ! l23
SK74LS2446
U2S
7 \ d! *' A1*"1' ' '
74HC14
U2C U2D
5 \^6 9 N^av* V74^14 74HC14
Ul
DQ IKODi IHiD2 IK2D3 IK3M IH405 IH5D$ IKfi07 IK7
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CU<5TARTftLE OE
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ESCUELA POLITECXICA ^CIOK«_FACULTAD DE INCOdERIA ELÉCTRICAPAÍ.L fESIAS DUTÍ^ ROOFJGUEZ
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Figura 2.4 Circuito de ent/sal cié daícrs
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A 30
)at«: H^ei >er 23, iS9/5>>5e
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t of
31
2.5 MODULO DE PROTECCIÓN
2.5.1 SALIDAS A ALARMAS
Las alarmas se activan independientemente de! control que esté, control On-Off o
PID. Siempre que el computador envié un dato lógico alto a través de la línea de
control C2 (pin 16 del conector DB-25) de! pórtico paralelo se activa la alarma de
alta temperatura y mientras envié un dato lógico alto a través de la línea de control
C3 (pin 17 del conector DB-25) del pórtico paralelo se activa la alarma de baja
temperatura.
En la Figura 2.5 se indica el circuito implementado, cuando el computador envía a
través del pórtico paralelo un dato lógico alto (Vin), el transistor se satura por lo
que activará la bobina del relé de 12VDC que activará a la bobina del relé de
120VAC que activará la alarma correspondiente y solo podrá ser desactivada
abriendo la alimentación de 120 VAC mediante un interruptor (SW ON/OFF
ALARMA) que alimenta a la bobina del relé de 120VAC que mediante uno de sus
contactores normalmente abiertos forma un circuito de memoria y mientras que con
el otro contactor normalmente abierto conecta la alarma a la fuente de alimentación
de 120 VAC.
NEUTRO O
PLARMft
Figura 2.5 Circuito para activar alarmas
32
Cuando el computador envía a través del pórtico paralelo un dato lógico bajo (Vin),
aparece un voltaje de polaridad opuesta inducida en la bobina dfcl relé, por lo que el
diodo 1N4001 (ECG 116) conduce, reduciendo la corriente debida a la energía
magnética de la bobina del relé hasta llegar a cero. El diodo tiene la misión de
limitar la sobretensión originada en la bobina del relé de 12VDC al pasar el
transistor del estado de saturación al estado de bloqueo.
Los diagramas de los impresos y de la distribución de los componentes de la tarjeta
de alarmas se encuentran en el Anexo 3.
2.5.2 PROTECCIÓN DE SOBRETEMPERATTJRA
La seña! analógica Vin de O a 10 VDC proveniente de la Etapa de acondicionar y
ünealizar la señal del sensor se compara mediante el amplificador operacional
LM307N (ECG 976) con un voltaje de referencia Vref correspondiente a cierta
temperatura máxima de protección que, para el caso de las resistencias
calefactoras del horno, de acuerdo a pruebas realizadas, es de 4.78 voltios a una
temperatura de 600°C, Este voltaje es ajustado mediante el potenciómetro P.
Vref = Vcc* Rb/(Ra+Rb)
Si Rb = 2.2K
4.78 V = 12 V * 2.2K/(Ra+2.2K)
Ra = 2.2K*[(12/4.78)-1]
Ra = 3323 ohmios
Si Ra = P = 10K
En la Figura 2.6 se indica el circuito ¡mplementado, Cuando, el voltaje Vin es menor
al Vref la salida del comparador se satura por lo que desactivará a! relé de 12VDC
en la bobina y 12QVAC/6QHZ-15A en el contactor que activa a un contactor trifásico
de 35A con bobina de 120VAC/60Hz que conecta el horno a la fuente trifásica;
mientras que si el voltaje Vin es mayor al Vref la salida del comparador se pone en
corte activando a! relé de 12VDC en la bobina y 120VAC/60HZ-15A en el contactor
que desactiva a un contactor trifásico de 35A con bobina de 120VAC/60Hz que
desconecta el horno de la fuente trifásica. Este circuito trabaja como un control on-
off sin histéresis.
33
Cuando el voltaje de entrada se hace menor al voltaje de referencia, aparece un
voltaje de polaridad opuesta inducida en la bobina del relé, por lo que el diodo
1N4001 (ECG 116) conduce reduciendo la corriente debida a la energía magnética
de la bobina del relé hasta llegar a cero, por lo que el diodo tiene la misión de
limitar la sobretensión originada en el relé al pasar la salida del comparador de
corte a saturación.
Í2V
Figura 2.6 Circuito de protección de sobretemperatura
Los diagramas del impreso y de la distribución de los componentes de la tarjeta de
protección de sobretemperatura se encuentran en el Anexo 4.
2.6 CIRCUITOS AUXILIARES
Para la conección de! módulo de interfaz se requiere que exista una entrada
normalizada de O a 5 VDC en la Etapa del actuador y una salida normalizada de O a
5 VDC en la Etapa de acondicionar y linealizar la señal del sensor.
34
2.6.1 SALIDA NORMALIZADA DE LA ETAPA DEL SENSOR
Como la señal de salida de la etapa de acondicionar y linealizar la señal del sensor
es de O a 10 VDC y se requiere de un voltaje de O a 5 VDC, para esto es necesario
el circuito de la Figura 2.7, que consiste en dos amplificadores operacionales (ECG
778A). El primer operacional invierte la señal de entrada y da una ganancia media
con un voltaje de salida de O a -5 VDC y el segundo operacional invierte la señal
proveniente de la salida del primer operacional dando a la salida un voltaje de O a 5
VDC.
Voutl = -Vín*(R2/R1)
Vout2 = -Vout1*(R5/R4) ; R5=R4
= Vin*(R2/R1)
donde:
R2 = R21+P
R21 =5.1K
P=10K
R1 = 20K
R3 = R1//R2 = 6.8KR4 = R5 = 10K
R6=R4//R5 = 5.1K
VINS0K
OalOVDC WOUT
0B5VDC778fi
Figura 2.7 Circuito de salida de la etapa del sensor
35
Los diagramas del impreso y de la distribución de los componentes de la tarjeta de
salida normalizada de la etapa del sensor se encuentran en el Anexo 5.
2.6.2 ENTRADA NORMALIZADA A LA ETAPA DEL ACTUADOR
Como la señal de entrada de esta etapa es de O a 10 VDC y se requiere de un
voltaje de O a 5 VDC de entrada, para esto es necesario el circuito de la Figura 2.8,
que consiste en un amplificador no inversor (ECG 778A), que toma la señal de
salida del módulo de interfaz de O a 5 VDC (señal de control) y la amplifica a una
señal de O a 10 VDC necesaria para que el actuador trabaje.
= Vin*(1+R2/R1)
donde:
R2 = R21 + P
R21 =12K
P = 5K
R1 =15K
Rl
ÍSK
R21
12K
-12VQ
6KFOT
VIN
UlPí
OVOUT
7VSAB
O
Figura 2.8 Circuito de entrada a la etapa del actuador
Los diagramas del impreso y de la distribución de los componentes de la tarjeta de
entrada normalizada a la etapa del actuador se encuentran en el Anexo 6.
36
2,7 RECONSTRUCCIÓN
Debido al estado del equipo diseñado y construido en una tesis anterior, que se
encontró incompleto en algunas etapas, con fallas tanto en el circuito como en el
diseño, se tomo como parte del trabajo de esta tesis su reconstrucción.
2.7.1 REDISEÑO DEL CONTROL ANÁLOGO
Esta Etapa de Control pertenece a una tesis anterior y ha sido reparada y
modificada en su diseño. La Figura 2.9 indica el circuito de control análogo
mientras que la Figura 2.10 indica el circuito de selección de control.
En el circuito de selección, al pulsar cualquier pulsante del control PID cierra el
swítch(relé de 12VDC) correspondiente y el del control PID; mientras que si se
pulsa el pulsante de control on-off se cierra el swttch(relé de 12VDC)
correspondiente a este control y abre los otros.
Al pulsar el pulsante de reset se abren todos los switches cerrados, y se desabilita
el control, con esto se puede trabajar con el control digital sin necesidad de
desconectarlo del sistema.
Al elegir un control integral se debe colocar el potenciómetro de Kp en mínimo para
que ia señal de error tenga ganancia uno.
En el caso de elegir un control derivativo, como en el caso de la tesis anterior, se
activa también e! control proporcional.
En el caso de elegir un control proporcional se tendrá solo este control.
Se han usado relés de 12VDC con un contactor normalmente abierto, cuyos
contactores se representan como switches en el circuito de selección.
37
ESCUELA POLnEíXra NACIONALFACULTAD DE IN<£NIERIñ ELÉCTRICAPfiUL MESIfíS DUTflH RQDRICUEZ
TitleFigura 2,9 Circurto ¿s conirol análogo
Date: Naverrber 2S, 1937Eheei
38
1N40Q1IH4001
-£-Offl
pPROP.1
í* í f t
1 p 1IKT.
>•0
1
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Ñ C2 .D22UF
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3 P 'OIF.
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.022UF1K
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2<
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0
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1Í2
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R
C _L 4
1 SP s C2 .022UF
;
3
ID
LED4h^54
7474
CLK4
U2A
4081
5V
P 1REST.
U2B4081
i3
ÜID
4081U1C
0X20--
4081UiA
4081
C S*30] USA2-022UF 434ijp\J /
S
LED3
U2D
134081
4081
4081
RELPY 12VOCNORMftLMEHTEABIERTO
ESCUELA POLITÉCNICA HACIOHflLFACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICAPftUL KESIAS OUTAN RODRÍGUEZ
Tit leFigura 2.10 Circuito de selección
DCumem f^uccer EV33
Date: Naverrber 28, of
39
2.7.2 RECONSTRUCCIÓN DE LA ETAPA DE DISPLAYDE MEDICIÓN
Esta etapa se encontró sin la tarjeta Disptay de Medición y tan solo se encontró los
pulsadores para selección por io que en base al diseño del trabajo de tesis anterior
se implemento esta tarjeta, que indica la medición de temperatura mediante
selección de termocupla.
La Figura 2.11 indica ei circuito del display de medición, donde U1(NTE74C925) es
un circuito integrado CMOS que internamente tiene un contador de cuatro dígitos,
decodificador, iatch, multiplexer y driver. Realiza todas estas funciones y su trabajo
es para cuatro displays en cátodo común de siete segmentos (ECG 3075). Para
su funcionamiento necesita de la habilitación del Iatch y del reset del contador cada
segundo, de la frecuencia de entrada que estará en relación directa con latemperatura.
Los diagramas del impreso y de la distribución de los componentes de la tarjeta de
Display de Medición se encuentran en el Anexo 7.
40
ikiiiiiiffilf11Ü002;
HH12
DEDCPEDGC1111222;
JJ_1234557e
0?
j í!^™
'
03
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11 1111111113 67^:4321
^B FGñBCCFf l22 11110022
HH12
D D;P EDCPEDGC2 11112222
9 12245:78
* ' ,
04 01
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i ;*3904 2K3'
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Ü. > 220 \ > R5 \
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SI4925DY
VCC 16
13 a P£SStT 1214 b15 c LATCH 51 d
Í 2 e CLOCK li
4 g 00 8DP2 flBCO
i> R6 1
3 ) 220 / R3 1 67311 > } 2 2 0 / R 4 i 5
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P )c
E5CUOA POLITÉCNICA WCIONflL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICOPAUL MESÍAS DITAN ROORICUEZ
3D" UtleFigura 2.11 Circuito d« display de'meoicion
5ize6ocuíacnt Nuirber . fiEVfi 40
bate; Noverrber 23, l?97£heet . of
41
2.7.3 RECONSTRUCCIÓN DE LA ETAPA DEL ACTUADOR
Esta etapa se encontró con daños en los elementos de potencia, Triacs, y en
algunas resistencias de la parte del divisor de voltaje de los optotriacs, y en los
optotriacs debido a una falla de cortocircuito.
Los Triacs y optotriac han sido reemplazados por elementos de la mismas
características.
En la Figura 2.12 se indica el circuito de acoplamiento dc-ac modificado. El circuito
integrado U1(ECG3049) es un fotoacoplador conformado por un diodo, un fototriac
y un circuito adicional de sincronismo en cruce por cero. Se necesita solamente
que el diodo conduzca y el triac conducirá cuando se tenga un cruce por cero. La
resistencia R1 y el capacitor C2 garantizan que el Triac se dispare de forma
correcta. La potencia de la resistencia R1 es baja ya que no disipa energía
mientras el Triac está conduciendo, y cuando no io está la potencia disipada es muy
baja. El circuito RC es una red de protección del Triac frente al disparo por altas
dv/dt.
RL
Figura 2.12 Circuito de acoplamiento dc-ac
42
CAPITULO 3
ESPECIFICACIONES Y DISEÑO DEL SOFTWARE
3.1 SELECCIÓN DEL LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN
El programa de control y visualización utilizado es Visual Basic 6.0 en 32 bits. Se
ha elegido este lenguaje de programación debido a que el control esta orientado a
un entorno gráfico como es Windows. El programa puede ser utilizado tanto en
Windows 95 y Windows 98.
Visual Basic posee la capacidad necesaria y la velocidad suficiente para el sistema
implementado. Esta en la capacidad de producir archivos ejecutables,
independientes de la aplicación en la que fue creado; además posee herramientas
para producir disco de instalación.
Visual Basic puede enlazarse con archivos de ayuda creados en otras aplicaciones,
por lo que se puede realizar ayudas en línea; ayudas que aparecen dependiendo
del lugar desde donde se llame a ésta.
3.2 BIBLIOTECAS UTILIZADAS
En el sistema desarrollado se utilizan básicamente tres tipos de bibliotecas:
• bibliotecas estándar de Visual Basic que se utilizan en la mayoría de programas
en Visual Basic.
• bibliotecas de bajo nivel, se utilizan para operaciones de lectura y escritura en
pórticos paralelos o direcciones de memoria.
• bobliotecas de instrumentación, se utilizan para presentar gráficos e imágenes
que facilitan el control
43
3.2.1 BIBLIOTECAS ESTÁNDAR DE VISUAL BASIC
Para la visualización de botones, cajas de diálogo y entorno general del programa
se utilizan las bibliotecas llamadas Microsoft common dialog control (comdlg32.ocx)
y Sheridan 3D controls (threed32.ocx).
Microsoft Common Dialog Control, este control sirve para mostrar cajas de
diálogos comunes como abrir y guardar archivos, imprimir, configurar .colores y
cambiar tipo de letra.
Sherldan 3D Controls, esta biblioteca contiene varios controles de uso general
como son botones, etiquetas, cajas de chequeo, frames y otros que son similares a
los controles estándar de Visual Basic. La única diferencia es que estos controles
tienen una mayor cantidad de propiedades.
3.2.2 BIBLIOTECAS DE BAJO NIVEL
Para el control de pórticos se utiliza la siguiente biblioteca;
Port32(port32.ocx)
Esta biblioteca tipo shareware (programa de distribución gratuita para pruebas,
para aplicaciones comerciales se debe registrar y cancelar su costo) de la empresa
Hone Software permite suplir la ausencia que tiene Visual Basic para leer pórticos
de comunicación.
En Visual Basic estándar no existe una función que reemplace a las instrucciones
INP y OUT de Qbasic o su equivalente en C que son INP-y OUTP, que permiten
ieer los datos de un pórtico cualquiera.
El control Port32.ocx se utiliza para la comunicación por pórtico paralelo. Mediante
éste control se envía los datos de control hacia el conversor digital análogo y se
toma la lectura desde el conversor análogo digital.
Con este control, la lectura y escritura en cualquier dirección de entrada o salida se
realiza de una manera muy fácil, basta con manejar las siguientes propiedades
indicadas en la Tabla No 3.1.
44
Propiedad
Address
Bits
Valué
Otras
Descripción
Define la dirección del pórtico
Define los bits a leer 8 o 16
Valor a escribir o valor que se lee
Propiedades estándares de Visual Basic
Tabla No 3.1 Propiedades del control Porí32.ocx
Para leer un dato del pórtico 3F8h se utiliza las siguientes instrucciones:
Port32.Address = &h3F8
Dato = Port32.Value
Para escribir un dato del pórtico 3F8h se utiliza las siguientes instrucciones:
Port32.Address = &h3F8
Port32.Value = Dato
Como se puede observar, la entrada y salida de datos se transforma en una lectura
y escritura como en cualquier otro control,
3.2.3 BIBLIOTECAS DE INSTRUMENTACIÓN
Esta bibliotecas son desarrolladas por National Instruments, no están dentro de las
bibliotecas de Visual Basic. Estas bibliotecas se pueden utilizar con Visual Basic
para trabajar bajo Windows 95 y Windows 98.
El desarrollo del programa del control se basa en ia utilización de estas bibliotecas
de National Instruments. Que sirven para presentar gráficos e imágenes en el
tiempo, perillas de control, botones, termómetros virtuales, rodillos, etc., que
facilitan el manejo del control.
Para mas información ver Anexo 8 incluido al final.
45
33 DESARROLLO DEL SOFTWARE DE CONTROL Y COMUNICACION
El lenguaje de programación Visua! Basic es estructurado, por lo que casi todas las
acciones se realizan mediante subrutinas y funciones, haciendo de esta manera que
la programación sea rápida, fácil y entendible.
Diagrama de flujo No 3,1a Programa principal
46
Diagrama de flujo No 3.1b Programa principal (continuación)
47
Programa Principal
En el diagrama de flujo No 3.1a y No 3.1b, se muestra una idea general del
programa principal, más adelante se irá explicando detalladamente la función de
cada bloque que conforman el programa.
Pantalla de Presentación
La Figura 3.1 indica esta pantalla de presentación donde consta la siguiente
información:
• Escuela Politécnica Nacional
• Control Computerizado de Temperatura
• Paúl Dután
Condiciones Iniciales
En este bloque se define con que pórticos se va a trabajar (LPT1 ó LPT2), se
ponen a cero las condiciones inicíales del algoritmo de control pid.
En este bloque de instrucciones se definen las funciones a utilizar, las variables, las
constantes, el archivo de ayuda que se utilizará y otras variables de uso generaldentro del programa.
Figura 3.1 Pantalla de presentación
48
Mostrar Pantalla
En este bloque se índica el panel físico del control listo para ser manipulado. El
ingreso de datos, grabar en archivo, abrir archivo e imprimir se hace con el ratón y
teclado. Se tiene en forma gráfica a ciertos elementos reales que son utilizados
para monitorear y controlar procesos, en este caso la temperatura. Esta
semejanza no solo en apariencia sino también en la función que cumple cada
elemento es io que se conoce como instrumentación virtual.
En la Figura 3.2 se indica la pantalla de presentación de! programa principal, por lo
tanto lo que se verá en la pantalla de! computador será:
Un gráfico en el que se muestra la temperatura medida en color celeste, la
referencia en color verde(Set Point), la alarma alta en rojo(Máxímo) y la alarma
baja en color amarillo(Mínimo) versus el tiempo, el fondo de este gráfico se pondrá
en rojo en el caso de que la temperatura medida sobre pase el valor de la alta
temperatura y de un color amarillo en el caso de que la temperatura medida este
por debajo del valor de la temperatura baja.
Indicadores digitales para ver los valores de temperatura medida, el voltaje de
control, alarma alta, alarma baja, set point en grados centígrados, Kp, Ki, Kd.
Botones para grabar en archivos ".dat", para abrir archivos ".dat", para imprimir,
para reset, para iniciar/terminar control, para salir, para información y para
perturbación.
Botones de elección para pórtico paralelo LPT1 o LPT2.
Un selector para escoger entre control PiD o control ON/ORF.
Perillas de control para la manipulación de ios parámetros de control como son los
valores Kp, Ki, Kd.
Rodillos para seleccionar ei porcentaje de hístéresís que va de 0% al 10% del valor
del Set Point y para seleccionar e! porcentaje de perturbación que va de 0% al10% de 1250°C.
49
Para seleccionar el valor del Set Point, Alarma Alta, Alarma Baja se dispone de un
termómetro virtual: el selector rojo para alarma alta, el selector amarillo paraalarma baja y el selector verde para set point.
1200-
1000-
800-_ i
.600-
40Q->
200--J
Temperatura|__4 __ i-
V. Control
Máximo
ppíiiSetPoinl
.. Mfoirno»i-,'-...'- I
.Ccnti(íl:PK>^-rKp —-
200 300
ioo^rJr^P°
O 500
riaaüW ^O 10
I51QÍÍJ
rKd
MvX/x
7 '.0 10
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% de hi&térisis-¿ T I I j 'I I ("
O ' 5 10
"yV i r i'rj" i - 'í7-rl:
0 , 5 . 1 0
Figura 3,2 Pantalla de presentación del programa principal
Configurar Variables
El computador deberá cumplir con una serie de tareas en forma secuencial y
repetitiva y así ser parte del sistema de control a implementarse.
• adquisición del valor de la temperatura• manipulación de información
• interfaz con el usuario• cálculo de señal de control
• envió del valor calculado a la salida del controlador
Para ello el computador estará conectado al equipo de adquisición y salida dedatos mediante el pórtico paralelo escogido.
50
En este bloque se configuran todas las variables que se utilizan en el programa y
constituyen además ios parámetros de control.
Aqui podemos encontrar definidas corno variables :
• set point
• seteo de alarmas
• Kp
• Ki
• Kd
• histéresis
• pórtico paralelo (LPT1 o LPT2)
« perturbación
Selección Tipo de Control
En esta sección se puede escoger el tipo de controlador para realizar el control de
temperatura, si se escoje una la otra se desactiva. Los controles que podemos
escoger son Control On-Offy Control PID.
La subrutina para el Control PID contiene las fórmulas matemáticas para la
evaluación del algoritmo de un controlador PID discreíizado, necesita como datos
los parámetros: KP, Ki, Kd, Set Point y Temperatura, el error actual y los dos
anteriores, la señal anterior de control y el período de muestreo.
La subrutina para e! Control On-Off necesita como datos los parámetros: Seí Point,
Temperatura y el porcentaje de histéresis.
Iniciar Control
En esta opción del programa si se inicia el control, el programa lee la temperatura
por pórtico paralelo seleccionado LPT1 o LPT2, luego gráfica este dato y comienza
el algoritmo de! control seleccionado para realizar el control de temperatura y estos
datos son grabados.
51
Perturbación
En esta opción, si antes se elige iniciar control, entonces se puede elegir sí se
desea o no introducir un dato de perturbación que puede ser elegido desde 0% al
10% de 1250°C, Sí se elige que si, este dato se suma al último valor de! SetPoint
con lo que se produce un pulso y luego regresa al vaior original del Set Point.
Terminar
En esta opción sí se escoge que si, entonces se envia a! pórtico paralelo un dato de
cero que hace que se detenga el control.
Grabar
En esta opción si se elige que si, entonces los valores presentes son guardados en
un archivo de extensión .dat.
Abrir
En esta opción si se elige que si, entonces se lee el archivo con extensión .dat y
luego, se gráfica e índica los parámetros del control usado con su respectivo valor,
en la Figura 3.3 se índica la pantalla que se ve al momento de abrir un archivo.dat.
52
Imprimir
Con esta opción si se elige que si, entonces se imprime la pantalla de presentación
del archivo.dat que consta del gráfico y sus respectivos parámetros de control.
«i. Foiml
Reset
Figura 3,3 Pantalla de presentación del archivo.dat
Con esta opción si se elige que si, entonces se borra el gráfico y reinicia el gráfico.
Salir
Con esta opción si se elige que si, entonces se abandona el programa y termina el
control o; de lo contrario, salta a la subrutina de iniciar control si o no.
53
CAPITULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS
En este capítulo se describe las pruebas que se realizaron en el software
desarrollado y en e! equipo construido, se muestran también los resultadosobtenidos.
4.1 PRUEBAS REALIZADAS
Las pruebas realizadas se dividen en dos partes: las pruebas de software y las
pruebas del hardware.
4.1.1 PRUEBAS DE SOFTWARE
4.1.1.1 Instalación del Software
Para la instalación del software se necesita computadores que tengan instalados
los sistemas operativos Windows 95 o Windows 98, que son los sistemas
operativos bajo los cuales funciona el software.
La instalación se realiza en e! directorio por defecto "c:Vprograma\pau!" o en un
directorio cualquiera especificado por el usuario.
4.1.1.2 Puesta en Marcha del Programa
Una vez instalado el programa se puso en marcha eí mismo para poder determinar
si el programa corre perfectamente o tiene algún problema en su ejecución.
54
4.1.1.3 Desempeño délas Opciones del Programa
En esta prueba se ejecutó las diferentes opciones dei programa para verificar su
correcta ejecución.
4.1.1.4 Pruebas de Comunicación y Control
Para realizar esta prueba es necesario que el módulo de interfaz esté conectado al
módulo de protecciones, al computador y al resto del sistema. Se realizó la prueba
de comunicación por el pórtico paralelo y con los datos recibidos se realizaron las
pruebas de control on-off y control pid.
4.1.2 PRUEBAS DE HARDWARE
En las pruebas de hardware se determina si el equipo construido y ei reconstruido
funcionan correctamente.
4.1.2.1 Pniebas de Comunicación
Con el equipo conectado al computador se determina si la comunicación paralela
funciona de acuerdo al tipo de control seleccionado.
4.1.2.2 Prueba de Respuesta del Proceso
Para analizar la respuesta del proceso se parte del desconocimiento del valor real
de las constantes de las acciones de control, por lo que ha sido necesario realizar
pruebas para determinar estos valores.
4.1.2.3 Prueba de las Acciones de Control
Con el equipo conectado al computador se determina si la respuesta del proceso
corresponde al tipo de control seleccionado.
4.1.2.4 Prueba de Operación de los Indicadores
Con el equipo operando se observa el funcionamiento de las alarmas e indicadores
presentes para los respectivos casos.
4.2 RESULTADOS OBTENIDOS
Los resultados obtenidos luego de realizar !as pruebas indicadas en la sección
anterior se muestran a continuación.
4.2.1 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE SOFTWARE
4.2.1.1 Resultados de la Instalación del Software
Al instalar el software en computadores con Windows 95 o Windows 98 la
instalación fue correcta, tanto al instalar en el directorio por defecto
"c:\programa\paul11 y en un directorio cualquiera..
4.2.1.2 Resultados depuesta en Marcha del Programa
Al poner en marcha ei programa, éste funcionó perfectamente en los computadores
que tenían instalado Windows 95 o Windows 98.
4.2.1.3 Resultados deDesempeño de las Opciones del Programa
A continuación se indican los resultados de analizar cada una de las opciones del
panel de control que constituye la pantalla de presentación del programa principal.
Pórtico. Permite escoger el pórtico paralelo con que se va a trabajar LPT1 o
LPT2.
Máximo. Permite ingresar la temperatura máxima.
Mínimo. Permite ingresar la temperatura mínima.
Set Poínt. Permite Ingresar la temperatura de referencia o set point.
Temperatura. Indica la temperatura medida actual.
Voltaje de Control. Indica el valor del voltaje de control.
Termómetro. El selector rojo permite seleccionar la temperatura máxima, el
selector verde permite seleccionar la temperatura de referencia o set point y el
selector amarillo permite seleccionar la temperatura mínima, y indica el valor de la
temperatura medida con color turquesa.
Info. Al presionar este botón se despliega una pantalla de presentación.
Control. Permite seleccionar el tipo de control que se desea realizar, contro on-off
ó control pid.
Control PID. Permite seleccionarlos parámetros Kp, Kiy Kd, mediante las perillas
correspondientes,
Control On/Off. Permite seleccionar el %histéresis, que corresponde a un
porcentaje que va de 0% a 10% de la temperatura de referencia o set point
seleccionado y que corresponde a la mitad de la ventana de histéresis.
% Perturbación. Permite seleccionar el porcentaje de perturbación que va desde
0% al 10% del valor de 1250°C y se puede dar inicio a la perturbación al presionar
el botón azul, con lo que el valor de la temperatura de referencia o set point se ve
incrementada en el valor de peturbación seleccionado y luego regresa al valor
inicial. Esta perturbación se puede ingresar en cualquier tipo de contro! escojido.
Reset. Al presionar este botón se borra el gráfico mostrado en pantalla.
Iniciar/Terminar. Al presionar este botón se procede a realizar el control
seleccionado, si esta en iniciar, y, si esta en terminar, se procede a terminar el
control seleccionado y se envía al pórtico paralelo un dato de cero.
Grabar. Al presionar este botón se despliega una caja de diálogo que permite
grabar el archivo con extensión .dat.
4.2.2 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE HARDWARE
Aquí se describen los resultados que se obtuvieron al realizar las pruebas con el
equipo construido.
4.2.2.1 Resultados de las Pruebas de Comunicación
Con el módulo de interfaz conectado ai computador las pruebas de interfazfuncionan correctamente.
57
Abrir. Al presionar este botón se despliega una caja de diálogo que permite abrir
un archivo con extensión .dat. Además de mostrar el gráfico guardado, muestra los
parámetros de Kp, Ki, Kd, set point y histéresis.
Imprimir. Al presionar este botón se despliega una caja de diálogo que permite
imprimir el gráfico presente y los parámetros de Kp, Ki, Kd, set point e histéresis.
Salir. Al presionar este botón se sale del programa.
4.2.1.4 Resultados de las Pruebas de Comunicación y Control
La comunicación por pórtico paralelo del computador con el módulo de interfaz
funciona de manera correcta. En ias pruebas no se detectó ningún tipo de errores
en ia transmisión. Con los datos recibidos del conversor análogo-digital se realizan
las acciones de control de temperatura correspondientes.
4.2.2 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE HARDWARE
Aquí se describen los resultados que se obtuvieron al realizar las pruebas con el
equipo construido.
4.2.2.1 Resultados de las Pruebas de Comunicación
Con el módulo de interfaz conectado ai computador las pruebas de ¡nterfaz
funcionan correctamente.
4.2.2.2 Resultados délas Pniebas de Respuesta del Proceso
El proceso es un horno con calentamiento eléctrico; la fuente de alimentación
eléctrica a utilizarse es trifásica y se ia aplica a través del actuador que consiste de
un control por ciclo integral. El valor RMS del voltaje entregado a la carga será
determinado por la señal de control proporcionada por el control análogo ó por el
control digital.
58
E! valor RMS del voltaje entregado a la carga es:
VRMS = VRMS fuente * (N/T)1/2La potencia es:
fuente)2 /RÜ * (N/T)
donde:
N = ciclos enteros entregados por el control a la carga.
T = período, (T = N + M)
M = ciclos enteros que no entrega el control a la carga.
RL = la carga, resistencia de calentamiento eléctrico.
El horno se muestra en la Figura 4.1. Está constituido por tres resistencias de
calentamiento eléctrico las que pueden formar dos tipos de configuraciones,
dependiendo lo que se escoja en el módulo de manejo de potencia(actuador):
- configuración estrella
- configuración triángulo
Cuando trabaja en la configuración estrella las tres resistencias de calentamiento
eléctrico de! horno están conectadas cada una a una fase de 12QVAC, mientras
que en la configuración triángulo cada una queda conectada a dos fases con lo que
se encuentran a 220VAC.
Potencia en triángulo = 3 * (22QV)2/R¡_ * (N/T)
Potencia en estrella = 3 * (220V/V3)2/RL * (N/T) = (220V)2/RL * (N/T)
Mientras se trabaja en configuración triángulo Sa potencia entregada a las
resistencias de calentamiento eléctrico es tres veces la potencia en configuración
estrella, con lo que en configuración triángulo se calienta en menos tiempo las
resistencias. Para bajas temperaturas se debe trabajar en configuración estrella y
para altas temperaturas en configuración triángulo
59
Pl
Figura 4.1 Horno
donde:
1. Paredes dei Horno, de porcelana.
2. Cubierta de Lana de Vidrio
3. Pared de Cemento
4. Cubierta Externa de Metal
Las paredes Pl, PD y PT están constituidas por !a resistencia de calentamiento
eléctrico (internamente) y por el bloque de cerámica (al rededor de las resistencias
de calentamiento eléctrico). Al calentarse las resistencias de calentamiento
eléctrico por el voltaje entregadas a estas, entonces calientan al bloque. Cuando
se deja de entregar el voltaje a ias resistencias de calentamiento eléctrico las
paredes presentan una inercia y tardan horas en enfriarse por lo que el sistema se
vuelve lento.
Para esta planta (horno) utilizando el método de Ziegler-Nichols, en el que se
trabaja sólo con la acción proporcional dando incrementos en su ganancia para
incrementos pequeños en la temperatura, hasta obtener una respuesta en la que el
sistema empieze a oscilar, fueron determinadas en la tesis anterior los siguientes
parámetros: la ganancia crítica Kc y el período crítico Te,
Kc = 250
Te = 8 min
60
Con estos valores de Kc y Te se puede obtener los valores correspondientes de las
constantes Kp, Kd, Kí, suponiendo que se trabajaría con un control PID; por ío
tanto, de acuerdo al método indicado se tendría la siguiente Tabla No 4.1,
Control
P
Pí
PID
Kp
125
112.5
150
Ti
(min)
oc
6,66
4
Ki = 1/Ti
(1/min)
0
0.15
0.25
Kd = Td
(min)
0
0
1Tabla No 4.1 Reglas de sintonización de
Ziegler-Nichols (segundo método)
Con estos valores se ha logrado determinar ei rango de variación de las
constantes, el control PID análogo tiene los siguientes rangos máximos:
Kp = 250
Ti = 8 min
Ki = Q.125/min
Kd = 1 min
Para ei control PID digital se partió de la prueba con reaiimentación unitaria y se
fueron variando las constantes Kp y Ki hasta obtener una respuesta adecuada. Se
obtuvieron los rangos para Kp, entre 100 a 150, y Ki entre 0.10 a 0.25. Los
rangos de los potenciómetros dentro del programa están dados para que se
puedan hacer diferentes pruebas con ei horno o cualquier otra planta.
Como la planta es puramente resistiva entonces la función de la planta es de primer
orden por lo que es suficiente un control Pi.
A continuación se presentan las respuestas del proceso obtenidas con los controles
digital y análogo, con las resistencias de calentamiento eléctrico en configuración
estrella y período del ciclo integral en un segundo.
61
Control PID analógico.
La respuesta del proceso para un Control Proporcional-lntegral análogo se indicaen la Figura 4.2, con Kp =150, Ki = 0.25 y Set Point = 250°C.
1250'
1000'
o zaga 4000 soco ' soooi t
12000 14000
Figura 4.2 Respuesta al control PID analógico
Temperatura máxima = 280°CTiempo de establecimiento = 13000 segMp(Máximo pico) = (280°C -250°C) *100/250°C = 12 %
Control ON/OFF analógico.
La respuesta del proceso para un Control ON/OFF análogo se indica en la Figura4.3, con Set Point=330°C y Histeresis mínima (Potenciómetro ON/OFF en máximo).
Figura 4.3 Respuesta al control ON/OFF analógico
Temperatura máxima = 370°CTemperatura mínima = 290°CHisteresis = 370°C - 290°C = 80°C
62
Control PID digital.
La respuesta del proceso para un Control Proporcional digital se indica en la Figura4.4, con KP = 1, Ki = O, Kd = O y Set Point = 250°C. (Realimentación Unitaria).
1250
•10»
6000
Figura 4.4 Realimentación Unitaria
Temperatura final = 70°CTiempo de establecimiento = 5500 segEp (Error en estado estable) = (250°C -70°C) *100/250°C = 72%Mp(Máximo pico) = O
La respuesta del proceso para un Control Proporcional digital se indica en la Figura4.5, con Kp = 10, K¡ = O, Kd = O y Set Poínt = 250°C.
Figura 4.5 Respuesta al control Proporcional digital con Kp = 10
Temperatura final = 230°CTiempo de establecimiento = 4000 segEp (Error en estado estable) - (250°C -230°C) *100/250°C = 8%Mp(Máximo pico) = O
63
La respuesta del proceso para un Control ProporcionaMntegral digital se indica enla figura 4.6, con Kp = 10, Ki = 0.25, Kd = O y Set Point = 250°C.
Figura 4.6 Respuesta al control Proporcional-lntegral con Kp =10 y Ki = 0.25
Temperatura final = 250°CTemperatura máxima = 300°CTiempo de establecimiento = 12000 segEp (Error en estado estable) = OMp(Máximo pico) = (300°C -250°C) * 100/ 250°C = 20 %
La respuesta del proceso para un control Proporcional-lntegral digital se indica enla Figura 4.7, con Kp = 250, Ki = 0.25, Kd = O y Set Point = 250°C.
1250'
1000
-250
I i I i Ip .. ;. .aroo 4opo'-:. 6000 ' róoo .10000 .12000 :. .14000 •
Figura 4.7 Respuesta al control Proporcional-lntegral con Kp =250 y Ki = 0.25
Temperatura final = 250°CTemperatura máxima = 350°CTiempo de establecimiento = 13000 segEp (Error en estado estable) = OMp(MáXÍmo pico) = (350°C -250°C) * 100/ 250°C = 40 %
64
Control ON/OFF digital.
La respuesta del proceso para un Control ON/OFF digital con Histeresis se índicaen la Figura 4.8, con Set Point = 35Q°C, %Histeresis = 10 que corresponde al 10%del Set Point = 35°C (Media Ventana de Histeresis).
1250
Figura 4.8 Respuesta al control ON/OFF digital con histeresis
Temperatura máxima = 385°CTemperatura mínima = 315°CHisteresis = 385°C-315°C = 70°C
La respuesta del proceso para un Control ON/OFF digital sin Histeresis se indica enla Figura 4.9, con Set Point = 300°C, %Histeresis = O que corresponde al 0% delSet Point = 0°C (Media Ventana de Histeresis).
Figura 4.9 Respuesta al control ON/OFF digitalsin histeresis
Temperatura máxima = 304°CTemperatura mínima = 294°CError máximo = (300°C - 294°C)*100/300°C = 2%
4.2.2.3 Resultados de las Pruebas de Las Acciones de Control
Para la verificación de la acción de Control Digital, es absolutamente indispensable
cerrar el lazo de control, de lo contrario no existirá ningún control y el actuador no
trabajara.
Control On/Off
Para verificar la acción de control On/Off dígita! y analógica se puede observar la
respuesta del proceso utilizando el programa desarrollado,' el cual gráfica y permite
grabar e imprimir las curvas de la respuesta del proceso,
También se puede observar el comportamiento de los focos, que se encuentran
conectados a la salida de las alarmas, con la variación de la temperatura, alrededor
de la referencia y la ventana de histéresis.
Se realizaron algunas pruebas, para algunos valores de la ventana de hístéresis,
obteniéndose los resultados esperados, es decir:
Para un proceso de calentamiento:
estado del foco de alarma alta: OFF para T < Tref + AT
On para T>Tref + AT
Para un proceso de enfriamiento:
estado del foco de alarma baja: OFF para T > Tref - AT
On para T < Tref - AT
donde:
Tref temperatura de referencia.
AT es la mitad de la ventana de histéresis
T temperatura medida.
66
Control Proporcíonal-lntegrai-Derivativo
Para la verificación de la acción de Control P!D digital y análogo se puede observar
la respuesta del proceso utilizando el programa desarrollado el cual gráfica y
permite grabar e imprimir las curvas de la respuesta def proceso.
4.2.2.4 ResiiJtados de las Pruebas de Operación de los Indicadores
En ia presentación gráfica del programa en visual basic existe un termómetro virtual
en el cual se seleccionan tos valores del set point y de tas alarmas. Para una
alarma alta existe un selector rojo, para una alarma baja un selector amarillo y para
set point un selector verde. En el caso de que en el proceso de control (ON/OFF o
PID) exista una alarma alta, entonces e! fondo del cuadro de graficación del valor
medido de temperatura se pondrá en color rojo; mientras que si existe una alarma
baja este fondo se pondrá de coior amarillo; y en un proceso normal este fondo es
negro. Además se tiene dos salidas a relés que son utilizadas para ia activación de
alarmas del tipo visual o sonoras de acuerdo al interés. Con el propósito de
verificar su funcionamiento se han colocado dos focos, observándose que se
encienden cuando ocurre la condición de alarmas y se desactivan al presionar el
interruptor de alarma del módulo de protecciones.
Para la indicación de que el horno está en sobre temperatura existe un led en el
panel frontal de! módulo de protección que se encenderá cuando esto ocurra.
Para !a indicación de norma! funcionamiento de ia fuente de VCC para la tarjeta de
interfaz existen dos ieds, que indican que existe voltaje de polarización +12V y +5V
en la tarjeta de entrada/salida de datos y en la tarjeta de alarmas que se encuentra
en el módulo de protección.
67
CAPITULO 5
CONCLUSIONES
A continuación se analizan los resultados obtenidos a lo largo del desarrollo de esta
tesis, así como un análisis económico del desarrollo de la tesis y construcción del
equipo
5.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA
En la evaluación económica del equipo se debe anotar que si bien el lazo de control
considera indispensable la utilización de un computador, este costo no será incluido
en el total, por considerarlo una herramienta para muchas otras tareas.
Por lo tanto lo que se menciona a continuación es el materia! utilizado con respecto
al diseño y reconstrucción del control de temperatura.
1. Para la Tarjeta de Salida Normalizada de la Etapa del Sensor (Módulo No. 2,
Selección Termopar Para Control).
No
1
1
1
7
1
1
Descripción
MC1458P(ECG778A)
potenciómetro 10K multivuelta
impreso tarjeta
resistencias varios valores
terminal
zócalo de 8 pines
TOTAL (sucres)
Precio
0.44
0.60
6.00
0.02
' 0.12
0.04
Total
0.44
0.60
6.00
0.14
0.12
0.04
7,34
2. Para la Tarjeta de Entrada Normalizada a la Etapa del Actuador (Módulo No.
5, Manejo de Potencia).
No
1
1
1
3
1
1
1
DescripciónMC1458P (ECG778A)
potenciómetro 5K mulüvuelta
impreso tarjeta
resistencias varios valores
selector 2 posiciones
terminal
zócalo de 8 pines
TOTAL (sucres)
Precio
0.44
0.60
6.00
0,02
0.40
0.12
0.04
Total
0.44
0.60
6.00
0.06
0.40
0.12
0.04
7.66
3. Para el Módulo de Protección.
3.1 Para las Alarmas.
No
2
2
1
2
4
2
1
2
2
3
1
2
2
1
1
3
2
4
6
Descripción
transistor NPN 2N3904 (ECG 123AP)
diodos 1N4001 (ECG 116)
impreso tarjeta
resistencias varios valores
termina!
relés 12V/15A-125V
zócalo de 14 pines
relés 120V/15A
tornas simples
soportes
swith neón
focos
enchufes
caja metal
base de madera
metro de cable AWG 2x20
boquillas
tornillos madera
tornillos
TOTAL (sucres)
Precio
0.06
0.04
6.00
0.02
0.12
1.08
0.06
2.00
0.26
0.10
. 0.48
0.32
0.20
4.72
0.12
0.10
0.26
0.01
0.02
Total0.12
0.04
6.00
0.04
0.48
2.16
0.06
4.00
0.52
0.30
0.48
0.64
0.40
4.72
0.12
0.30
0.52
0.04
0.12
21.06
3.2 Para la Protección de Sobretemperatura.
69
No
1
1
1
2
1
1
1
8
3
1
1
1
1
1
1
2
3
Descripción
LM307N (ECG 976)
potenciómetro 10K multivuelta
impreso tarjeta
resistencias
terminal
contactor M-35 CL 12.5 HP 9.0 KW
bornera GOA
metro de cabie AWG 1 0
soportes
zócalo de 8 pines
led
porta led
relé 12V/15A-125V
diodo 1N4001 (ECG 116)
metro de cable AWG 2X16
tornillos
metro de cable AWG 18
TOTAL (sucres)
Precio
0.44
0.60
6.00
0.02
• 0.12
33.20
2.60
0.36
0.10
0.04
0.08
0.08
1.08
0.04
0.30
0.02
0.08
Total
0.44
0.60
6,00
0.04
0.12
33.20
2.60
2.88
0.30
0.04
0.08
0.08
1.08
0.04
0.30
0.04
0.24
48.08
4. Reconstrucción del Equipo.
4.1. Para la Etapa del Control Análogo (Módulo No. 3, Control PID - ON/OFF
Análogo).
No
2
10
10
5
3
3
Descripción
LM348N (ECG 948)
diodos 1N4001 (ECG 116)
relé 12V/15A-125V
transistor NPN 2N3904 (ECG 123AP)
resistencias varios valores
zócalo de 14 pines
Precio
0.94
0,04
1.08
0.06
0.02
0,26
Total
1.88
0.40
10.80
0.30
0.06
0.78
10
11
7805 CT(ECG 960)
metro de cable plano 10 filas
TOTAL (sucres)
0.60
0.40
0.60
0.40
15.22
4.2. Para la Etapa del Actuador (Módulo No. 5, Manejo de Potencia).
No
3
3
3
1
1
3
Descripción
capacitor de 0.01uf/400V MLR
NTE 5695
MOC 3031 (ECG 3049)
pulsador normalmente cerrado
SCR 2N5060 (ECG 5400)
resistencia de 560 ohmios/O. 25W
TOTAL (sucres)
Precio
0.04
12.80
1.00
0.20
0.40
0.02
Total
0.24
38.40
3.00
0.20
0.40
0.06
42.30
4.3. Para la Tarjeta de Display de Medición (Módulo No. 1, Temperatura en el
Horno).
No
1
4
7
2
1
1
1
Descripción
SI4925DY (NTE 74C925)
transistor NPN 2N3904 (ECG 123AP)
resistencias
led display cátodo común (ECG 3075)
zócalo de 40 pines
zócalo de 16 pines
impreso tarjeta
TOTAL (sucres)
Precio
21.00
0.06
0.02
1,20
0.20
0.10
6.00
Total21.00
0.24
0.14
2.40
0.20
0.10
6.00
30.08
5. Para el Módulo de Interfaz.
No
1
Descripción
LM324N (ECG 987)Precio
0,94Total
0,94
71
2
2
1
2
1
3
3
2
2
1
1
1
7
16
1
1
1
4
1
2
1
1
1
1
1
6
1
1
led
porta ledcapacitor de 1000(jf/25V
capacitor de 0.1 ¡jf
capacitor de O.OOlpf
fusibles
porta fusibles
zócalo de 14 pines
zócalo de 20 pines
zócalo de 28 pines
header 8x2
impreso tarjeta
resistencias varios valores, 5%
resistencias varios valores, 1%
LM7812(ECG966)
LM7805 (ECG 960)
SN74LS244
diodos 1N4004(ECG 116)
transformador 6-0-6V/2A
potenciómetro 100K multivueíta
SN74LS373
ADC0808M
74HC14
caja metal
selector de cuatro posiciones
' termínales
cable para pórtico paralelo DB-25
conectar DB25
TOTAL (sucres)
0.08
0.08
0.28
0.10
0.06
0.04
0.30
0.08
0.20
0.20
0.40
8.00
0.02
0.12
0.40
0.40
0.68
0.04
3.20
0.60
1.00
12.00
0.64
7.00
0.32
0,12
7.00
0.80
0.16
0.16
0.28
0.20
0.06
0.12
0.90
0.16
0.40
0.20
0.40
8.00
0.14
1.92
0.40
0.40
0.68
0.16
3.20
1.20
1.00
12.00
0.64
7.00
0.32
0.72
7.00
0.80
49.56
De lo que se puede observar, para la parte de la reconstrucción del equipo sale un
total de USD $ 88.32.
Para ia parte de la construcción del equipo para eí lazo del control con elcomputador sale USD $133.70.
El costo total es de USD $ 222.02, para el trabajo realizado. A la fecha actual el
cambio del dolar es de USD $1 = 25.000 SUCRES.
Si bien el objetivo de la tesis, que era ei realizar un lazo de control con e!
computador, un actuador con entrada normalizada y protección, se ha resuelto
satisfactoreamente, se debe decir que el análisis muestra que se ha utilizado un
equipo demasiado costoso para los propósitos con que fue planteado.
Por otra parte, se puede mencionar que se trata de un equipo de laboratorio que
bien puede ser acondicionado para otros modos de trabajo, incluso que no tenga
nada que ver con el control de temperatura.
5.2 CONCLUSIONES
- Cuando se plantea un sistema de control para una planta, es necesario conocer
la variable que se quiere controlar y su comportamiento dinámico, para iuego de
este análisis establecer el tipo de control que se va a utilizar. Esta tesis presenta
dos alternativas, la más sencilla ei control ON-OFF, que se utiliza cuando no se
requiere una gran precisión y !a respuesta dinámica de la planta es lenta, y el
control PiD que presenta una reacción más rápida a las variaciones y por lo tanto
trata de recuperarse en menos tiempo.
La calibración de los parámetros dependerá de la planta en particular que se
quiera controlar. Esta tesis deja abierta la posibilidad de calibración de los
parámetros para cada tipo de control mediante "software", que no es sino
manipular elementos virtuales, lo que facilita la operación del sistema, incluso para
personas que no conocen nada de programación o de un computador. Claro está,
los valores que se escojan para dichos parámetros si debe hacerlo una persona
con criterio respecto al funcionamiento de la planta.
Uno de los objetivos de esta tesis era desarrollar un lazo de control controlado
por computadora, para ello se utiliza el paquete Visual Basic, que presenta la
alternativa de instrumentación virtual, introduciendo su uso en la resolución de
problemas como el propuesto en la tesis. Luego de su utilización se puede concluir
que se trata de un lenguaje de programación sencillo que brinda al usuario una
herramienta poderosa para el manejo de los recursos del computador (pórtico
paralelo, pórtico serial, joystick, etc.), a la vez que facilita el manejo de elementos
73
de presentación en pantalla (gráficos, pulsantes, potenciómetros, termómetros,
etc.), que simulan instrumentos reales y que se conoce como instrumentación
v/rtual.
El pórtico paralelo se emplea hoy en día en muchas aplicaciones como otra de
las alternativas para la instrumentación, adquisición de datos y control.
Esencialmente, un pórtico paralelo tiene la ventaja de una alta velocidad de
transferencia de datos (en comparación al pórtico serial) aunque su uso está
restringido a distancias relativamente cortas.
- La utilización de computadores y paquetes computacionales innovadores brindanla alternativa de implementar controles digitales en tiempo real con la facilidad de
realizar cualquier tipo de algoritmos y funciones en forma de software, mismos que
si se reemplaza por circuitos analógicos, implican costos de equipo y elementos y
podrían tener serías restricciones.
5.3 RECOMENDACIONES
En cuanto al control PID, para aplicarlo a sistemas de control de temperatura,
se recomienda hacerlo para plantas de poca masa o inercia de manera que los
tiempos de estabilización, tanto para el enfriamiento como para el calentamiento
sean pequeños. Además se recomienda utilizar el control en los dos sentidos; es
decir, tener la posibilidad de manejar actuadores para el calentamiento y para el
enfriamiento.
Debido a que el horno es un sistema lento en su operación de calentamiento y
enfriamiento, se debe trabajar con temperaturas de referencia (set point) bajas
para fines didácticos.
En el módulo de protección existe una tarjeta de protección de sobretempe-
ratura la que está calibrada a una temperatura para proteger a las junturas en las
resistencias de calentamiento eléctrico que pueden fundirse al trabajar con
temperaturas altas. En el caso de que se trabaje con otra planta la que pueda
soportar mayor temperatura se recomienda seguir los pasos indicados en el manual
de operación y calibración en el Anexo 9 para la calibración de la temperatura de
sobretemperatura en la tarjeta de sobretemperatura.
74
Al utilizar el control integral del control análogo se recomienda antes poner el
potenciómetro de Kp en mínimo para que la señal de error tenga ganancia uno.
Para seleccionar el control análogo o el control digital existe un selector en el
panel frontal del módulo del actuador (Módulo No. 5, Manejo de Potencia), que
permite el paso de la señal del control seleccionado.
Antes de colocar en ON el interruptor del Módulo No, 6 (Salida Polarización
DC), se debe colocar el selector que se encuentra en el panel frontal del módulo del
actuador (Módulo No. 5, Manejo de Potencia) en análogo, debido a que en esta
posición el voltaje de control del actuador es cero y no conducirán los triacs.
- Para la operación de selección del control análogo se recomienda ver el manual
de operación y calibración en el Anexo 9.
- En el caso de que se seleccione el control análogo, se puede capturar mediante
el computador el gráfico de la temperatura. Esto permite grabar los datos
obtenidos del control y luego imprimirlos; además, se puede setear las alarmas de
sobre temperatura y baja temperatura.
- El programa PAUL que realiza los controles digitales PID y ON/OFF guardar los
datos medidos en un archivo ".dat" sin limite de tiempo, por lo que se debe tener
capacidad en el disco duro del computador.
- Al colocar el selector del módulo de interfaz en OFF, se abre la alimentación del
transformador que desactiva la polarización de la tarjeta de entrada/salida de datos
y desactiva la polarización de la tarjeta de alarmas que pertenece al módulo de
protección. Pero no se desactiva la tarjeta de sobretemperatura, porque se
encuentra polarizada desde el módulo de salida de polarización de (Módulo No. 6).
No se debe desconectar la polarización de la tarjeta de protección de sobre-
temperatura que pertenece al módulo de protección, ya que de esta manera la
protección de sobretemperatura se encuentra habilitada y conecta el horno a través
del actuador a la fuente trifásica AC.
Para realizar un control digital, después de realizar un control análgo se reco-
mienda ver el manual de operación y calibración en el Anexo 9.
75
Cuando se trabaje con el control digital se debe asegurar que la tierra del
módulo de interfaz este debidamente conectada al resto del sistema para que
exista una tierra común.
76
BIBLIOGRAFÍA
• NATIONAL DATA ACQUIS1TION DATABOOK, National Semiconductor
Corporation, 1995.
• ED. MARCOMBO, "Electrónica y Automática industriales"
• OMEGA, "The Temperature, Handbook", Vol. 28
• CREUSA., "Instrumentación Industrial", Marcombo S.A., Barcelona, 1979.
• OGATA K., "Control Moderno", Prentice - Hall Inc., New Jersey, 1972.
• KUO B.C., "Sistemas Automáticos de Control", Editorial Continentai S.A.,
Barcelona, 1973.
• SAVANT, RODEN, CARPENTER., "Diseño Electrónico", Addison-Wesley
Iberoamericana, S.A. de C.V., Wilmington, Delaware, E.U.A., 1992.
. HTTP://WEB.ALPHACOM.ES/PERSONAL/IAC/PUERTOP.HTMJ "Programación
del Puerto Paralelo".
• HTTP://VW\AA/.DOC.IC.AC.UK/~IH/DOCyPAR/DOC/FlNDING.HTML, "IMB-PC
parallel Printer Port".
• HTTP://WWW,DOC.IC.AC.UK/~IH/DOC/PAR/) "Interfacing to the IMB-PC
parallel Printer Port".
ANEXOS
11
ANEXO 1
TABLA DE F.E.M. DEL TERMOPAR TIPO K EN FUNCIÓN DE LATEMPERATURA EN °C CON LA UNION DE REFERENCIA A 0°C
(IPTS I96t)
• C 0 1 3 3 4 5 « 7 1 M 10 • C
tííllvoltíoi
950060970980090
1.000J .OIO1.0301.0 JO1.<MO
1.0501.0601.0701.0801.090
1.1001.1101.1301.1301.140
1.1301.100i.no1.1BO1,1901.200
•
— 270— 3flO— 330
— 340— 330— 230— 310— 300
— 1BO— 180— 170— 180— 130
~ 110— 130— 130— -110— ÍOO
— 00— -80— 70— 80— 30
— 40— 30— 30— 10
0
010303040
84,04805,55368,15556.75357,34»67,94361,533B9.13160,70860.303
80,87881,43D63,03083,81963,199
63.77764,38564,93363,51084,087
66,60467,34067,81568,39068,96-4
69,536
— 6,458— 6.441— 6,404
— «.344— 6,353— 6,188— 6,035— 5,891
— 5.730— 3.580— 5,354— 5,141— 4,013
— 4,669— 4,410— 4.13E— 2.853— 5.U53— 3.243— 2, 930— 3,««— 3.343— 1,889
— 1,537— 1,15«— 0,777— 0,393
0.0000,0000,3970,7981,3031.611
65,00965,01.36fl,31S64,81357,40808.001«,30259,19069,767«0,351
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30,67431,090
31.60431,6163t,33132,74333,154
33.54433,07334.38034.78736,193
35,69738,00036,40336,10437,20537,60431,00331,40031.7963»,101
39,68639.97040.37140,78241,163
41.54141.92943.31843,70343,087
0.47143,453«4.33544.81544, CBS
45,3734S.T3046. 11«44.50046,473
47J4547.0IÍ .47.M544.31244,718
Í6.C4J«,448tí. «0404.16450.539
10.48381.33801,99361.94363,384
63,64363,08983.33563,47064,022
64.30464,705
30,71*31,131
31,64831,98033,37332,78433,195
33,60434,01334.43134.Í3735.333
35.63736,04136,4038,14437,24537,64431, OO31,43931,13630.231
39.83540.01640.41040,001 .41.191
• 41,66041,36843,35543,74043.13»
0. 60043,80144,37344.65345.033
45.41146.74746,10344,63740,910
. 4T.JM47.8534J.02144.31041.7664S,1»49.44341,44460,30460,303
60.01981.27461,63751,97963,33»
63,67763.03453,37053,71454,087
64.30854,730
30,75731.173
31,58733.00133,41433,13533,336
33,04534.03434,46134,80838.373
36,67836.09136,48336.885-37,38537,68438,08338.47931,87530,370
39,86440,05740,44040,84041,330
41,61943.00643,39343.77043,164
43.54743.03044,31144,60145.070
46,44845,6354640144.57640, MI
47.31147.66046.05446,43646,7*3
46,1544P.51949. «360,24060,606
60,934S1.3C0.51,64363.01463.364
63,71363,06963,40463,74864,091
54,43354,773
30,70031,314
31,63033,04233,45632,86833,277
33,08434,00534.50234.000 '35,314
3Í.71I36.13136,53430,03537,33937,73431,13231,51»31,91630,310
39.70340, M 640,48840,17941,36»
41.03743,04543,43342.81743.301
43,51543,f6444.34944,72945.104
45.46446,16344.33844,01246.985
47.36647.72*46,00541.4634I.Í3I
4f,lS34»,5S649,9:060,27650,633
60,98051,34451,60753,04063,398
63,74763.09363.43»63.75364,126
54,46684,807
'
T30740
7SO760770780700
100110630430140
150160670680690900910no830640
fSO»60»70910990
1.0001.0101.0301.0301.040
1.05CJ.0401.0701.0401.0*0
1.1001.110;.iio1.1361.140
1,1601.1601.1701.160l.IM
1JOO1JIOl_no1.1301J40
T.3501.360U'/O1.2*01JW
1JOO1-3101.3101.330L340
1.3601J001.370
ANEXO 2
TARJETA ENTRADA/SALIDA DE DATOS
R2 Rl
Ul LED2-{BIS- -CS£> C~\3
US
U3
-CfíIB>-nm- -fPTTV MÍD1
-ÍH2D--Íffl2>
-rom--ÍBZ5>
J3 J2 Jl
c-t
-miTP-ÍM33--OID-
Distribución de Elemento;
.ado de Componentes
TkWAm;i.M#4
Lado de Suelda
ANEXO 3
TARJETA DE ALARMAS
°J120V DI« RBI ai
Kll
™ • IÜUB
a
a n
RBB-tóV JS
•HTRO
- 1
0"1AB
JoLado de Componentes
Lado de Suelda
ANEXO 4
TARJETA DE PROTECCIÓN DE SOBRETEMPERATURA
Oí -V QHDVIHHAMC C
Lado de Componentes
O -tv OMD MH m HO o O
Lado de Suelda
ANEXOS
TARJETA DE SALIDA NORMALIZADA DE LA ETAPA DEL SENSOR
R21
Rl
R5
,VIN -V GND YO »V
Lado de Componentes
31VIH-V GWD VD+V
Lado de Suelda
ANEXO 6
TARJETA DE ENTRADA NORMALIZADA A LA ETAPA DELACTUADOR
Oí -Y VIH QND -Y YqO
Lado de Componentes
Lado de Suelda
ANEXO 7
TARJETA DE DISPLAY DE MEDICIÓN
DI D2
O i_J.02 03 ÍM Ql
( ) ( ] ( ] (
\n de Elementos
* * * »
Lado de Componentes
Lado de Suelda
ANEXO 8
Controles Actives X para instrumentaciónComponentWorks
- Controles ActiveX para la adquisición, análisis y presentación de datos.
- Compatible con Visual Basic, Visual C++, Borland Delphi e Internet Explorer.
- Interfaz fácil de usar para la configuración de los controles
- Control flexible de programación mediante propiedades, eventos y métodos
- Herramientas para la interfaz de usuario, basadas en la instrumentación que
incluyen gráficas, medidores, perillas, botones e interruptores
Potentes rutinas de análisis que incluyen pruebas de localización de fallas
(FFT), filtros, ventanas, aproximación de curvas, estadística y probabilidad
- Controles DAQ fáciles de usar para señales analógicas, digitales y
operaciones E/S de temporización
- Control de instrumentos GPIB, serial y VXI, incluyendo drivers para más de
650 instrumentos
- Funciona en Windows NT y Windows 95
- Utiliza la reconocida tecnología de LabVIEW y LabWindows/CVI
Herramientas de Instrumentación para lenguajes de programación visual
La instrumentación virtual ha revolucionado la industria de adquisición de datos y
control de instrumentos. Científicos e ingenieros de todo el mundo están
descubriendo las ganancias substanciales de productividad en la creación de
sistemas de instrumentación utilizando la tecnología estándar de hardware y
software basada en PC
ComponentWorks es un conjunto de controles ActiveX de 32 bits diseñado para
desabolladores que construyen sistemas de instrumentación virtual. Con
ComponentWorks, se combina el poder y la adaptabilidad de herramientas de
desarrollo estándar, tales como Microsoft Visual Basic, Visual C++ y Borland
Delphi, con la instrumentación. Utilizando la tecnología ActiveX, los controles deComponentWorks son fáciles de configurar mediante simples ventanas de
configuración y se pueden controlar fácilmente desde sus programas utilizando
propiedades y métodos de alto nivel. De esta manera, ComponentWorks añade
controles y bibliotecas especificas de instrumentación para convertir lenguajes
visuales de tipo estándar en ambientes de desarrollo de instrumentación virtual de
clase mundial.
ComponentWorks ofrece una interfaz de usuario, adquisición de datos, control de
instrumentos y herramientas de análisis para ayudarle a construir Instrumentos
virtuales. ComponentWorks incluye una biblioteca de controles Actives para
construir interfaces de usuario gráficas para aplicaciones científicas y de ingeniería.
Las herramientas para la interfaz de usuario incluyen perillas, medidores, botones,
visualizaciones de tanques, termómetros, gráficas y gráficas de barras para
convertir la interfaz de usuario estándar Visual Basic o Delphi en un instrumento
virtual.
Para controlar el hardware de adquisición de datos, ComponentWorks tiene un
conjunto de controles ActiveX para realizar funciones de E/S analógicas y digitales y
funciones de contador/temporizador. Para el control de instrumentos GPIB, serial y
VXI, ComponentWorks ofrece controles ActiveX y drivers de instrumentos que
reemplazan la programación de instrumentación de bajo nivel con funciones fáciles
de utilizar. ComponentWorks también aprovecha la tecnología de Microsoft Internet
asociada con Internet Explorer, VB-Scrípt y controles ActiveX. Con la tecnología de
ComponentWorks y de DataSocket de National Instruments usted puede crear
páginas Web dinámicas y visualizar sus datos por Internet utilizando Internet
Explorer. También puede fácilmente, a través de este mecanismo, desplegar los
datos adquiridos de LabVIEW o LabWindows/CVI.
ANEXO 9
MANUAL DE OPERACIÓN Y CALIBRACIÓN
OPERACIÓN DEL MODULO DE CONTROL ANÁLOGO
El control análogo, este se inicia cuando se pulsa cualquiera de los pulsantes de
selección de control.
- Al pulsar el pulsador reset, la entrada y la salida del Módulo No.3 (Control PID -
ON/OFF Análogo) se abren, con lo que la salida se pone a cero y no conducen los
triacs.
Al utilizar el control integral se recomienda antes poner el potenciómetro de Kp
en mínimo para que la señal de error tenga ganancia uno.
- Al pulsar el pulsador derivativo se tiene un control Proporcional-Derivativo.
- Al pulsar el pulsador proporcional se tiene un control Proporcional.
- Al pulsar el pulsador integral se tiene un control integral.
- Al pulsar el pulsador on/off se tiene un control on/off.
- Para tener un control PID se debe pulsar los pulsadores proporcional, integral y
derivativo.
OPERACIÓN DEL MODULO DE INTERFAZ
- Al colocar el selector del módulo de interfaz en OFF, se abre la alimentación del
transformador que desactiva la polarización de la tarjeta de entrada/salida de datos
y desactiva la polarización de la tarjeta de alarmas que pertenece al módulo de
protección. Pero no se desactiva la tarjeta de sobretemperatura, porque se
encuentra polarizada desde el módulo de salida de polarización de (Módulo No. 6).
- Para trabajar correctamente el módulo de interfaz con el resto del sistema este
tiene que tener la tierra conectada al resto del sistema y tener conectados todos
los cables como se índica en el panel frontal del mismo.
Para trabajar con las alarmas de temperatura alta y baja presentes en el
módulo de protecciones se debe conectar los cables a la salida de alarmas
presentes en el módulo de interfaz a las entradas de alarmas en el módulo de
protecciones y además se debe conectar las salidas de polartización presentes en
el módulo de interfaz a las entradas de polarización en el módulo de protecciones.
Para trabajar sin las alarmas presentes en el módulo de protecciones se debe
desconectar los cables de las salidas de alarma alta, baja y el cable de 12 VDC de
polarización sin desconectar la tierra.
OPERACIÓN PARA EL CAMBIO DEL CONTROL ANÁLOGO A DIGITAL
Para realizar un control digital, después de realizar un control análogo se debe
realizar los siguientes pasos:
• dar un pulso al reset del Módulo No.3 (Control PID - ON/OFF Análogo) para
que los triacs no conduscan.
• encender el computador y abrir el programa PAUL.EXE.
• conectar el módulo de interfaz al pórtico paralelo del computador
• realizar todas las conecciones, indicadas en el panel frontal del módulo de
interfaz.
• colocar el selector del módulo de interfaz en ON.
• colocar el selector que se encuentra en el panel frontal del módulo del
actuador (Módulo No. 5, Manejo de Potencia) en digital.
• iniciar el control desde el computador.
• para terminar pulsar terminar y la salida del control se pondrá en cero, con lo
que los triacs no conducen y la carga (horno) deja de calentarse.
• para volver al control análogo se debe colocar el selector que se encuentra
en el panel frontal del módulo del actuador (Módulo No. 5, Manejo de
Potencia) en análogo.
CALIBRACIÓN DE LA TEMPERATURA DE SOBRETEMPERATURA
Para setear la temperatura de sobretemperatura, se debe calibrar el potenciómetro
que se encuentra en la tarjeta de sobretemperatura del módulo de protección,
ingresando un voltaje correspondiente a la temperatura que se desee setear a la
entrada de medición y observando que al calibrar el potenciómetro se active el
relay de 120VAC/3-fases. Por ejemplo para una temperatura de 625°C se debe
calcular de la siguiente manera:
T = V/8[mV/°C]
V = T*8[mV/°C]
donde:
T es la temperatura a la que se desea setear
V es el voltaje que se debe ingresar
entonces, se tiene que:
V = 625[°C] * 8[mV/°C]
V = 5 [V]