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Guía de Laboratorio Planta de Refrigeración

1. Características Generales

1.1 Elementos Utilizados

- Interruptor Termo magnético monofásico

- PLC Embebido

- Switch Ethernet

- Chiller

- Servo-Válvula

- Sensores de temperatura NTC

- Relé Electro-Mecánico

- Fuente de alimentación 24V

- Fuente de alimentación 5V

- Tablero de prácticas externas

1.2 DESCRIPCIÓN DE ELEMENTOS

1.2.1 INTERRUPTOR TERMOMAGNETICO

Dispositivo interruptor que se dispara al superar una corriente de 10 A, permite el paso de energía

eléctrica a toda la planta de refrigeración.

1.2.3 PLC EMBEBIDO

Dispositivo de control y automatización basado en un microcomputador Raspberry Pi 2. Tiene

acceso a todos los sensores y actuadores del sistema (con sus correspondientes acoplamientos) por

medio de comunicación modbus TCP/IP. Utiliza un bloque PID programable que permite la apertura

y cierre de la servo-válvula cuyo objetivo es cambiar la temperatura de transferencia del producto

hacia el chiller.

1.2.4 SWITCH ETHERNET

Dispositivo que permite el enlace entre dispositivos (HMI, PLC, etc.) por medio de Ethernet. Tiene

capacidad para conectar 5 dispositivos.

1.2.5 CHILLER

Sistema de refrigeración que permite reducir la temperatura de un fluido. Está compuesto por los

siguientes dispositivos: compresor, evaporador, intercambiador y depósito de refrigerante. El

compresor es activado mediante un relé electromecánico de 24 V DC, este compresor se encarga

de llevar el líquido refrigerante hacia el evaporador y desplazar la energía calórica del refrigerante

de proceso. Por el intercambiador se hace pasar un líquido el cual entrega su calor al refrigerante

del depósito.

1.2.6 SERVO-VALVULA

Es un dispositivo compuesto por una válvula de bola y un servomotor, puede ser accionado por

medio de una señal pwm generada por el PLC embebido. Esta servo-válvula permite el paso del

líquido que se pretende enfriar hacia el intercambiador y permite ajustar el flujo que pasa por el

mismo, cambiando indirectamente la temperatura de transferencia.

1.2.7 SENSOR DE TEMPERATURA NTC

Un sensor resistivo NTC (coeficiente de temperatura negativo) es un tipo de termistor cuyo

coeficiente de temperatura es de valor elevado, permitiendo cambios muy elevados de resistencia

en intervalos relativamente pequeños de temperatura. Se encuentran repartidos en termo pozos

dentro de las tuberías y del tanque de refrigerante. Están disponibles para ser utilizados con el PLC

embebido o por un sistema externo con salida de voltaje de 0v a 10v.

1.2.8 RELE ELECTRO-MECANICO

Dispositivo que permite controlar el encendido y apagado de un sistema monofásico por medio de

una excitación de voltaje de corriente directa de 24V. En la planta funciona como un actuador para

el compresor del chiller.

1.2.9 FUENTES DE ALIMENTACION DE 24V Y 5V

Son fuentes conmutadas que proveen a los diferentes dispositivos de tensiones de 24V y 5 V, cada

una con una carga nominal de 2 A.

1.2.10 TABLERO DE PRACTICAS EXTERNAS

Está compuesto por conectores para de tipo banana, el cual permite realizar prácticas utilizando

dispositivos de control externos a la planta ( PLC’S, relés, transmisores, etc.).

1.3 ADVERTENCIAS Y PRECAUCIONES

1.3.1 Siga paso a paso las instrucciones que se indican en las prácticas

1.3.2 No manipule los equipos de una forma inadecuada o diferente a la descrita en esta guía.

1.3.3 En caso de fallos o errores no intente repararlo, informe lo sucedido al docente o al

encargado de laboratorio.

1.3.4 Mantenga este equipo lejos de lugares con altas concentraciones de humedad para evitar

cortos e incendios.

1.3.5 Coloque el sistema en una superficie plana y sin inclinaciones.

1.3.6 Verifique que el cable de conexión se encuentra en buen estado antes de conectar el

sistema.

1.3.7 Verifique que la válvula de desagüe (ubicada en la parte inferior) se encuentre libre de

obstáculos y totalmente cerrada.

1.3.8 Verifique que el sistema se encuentra cargado con líquido refrigerante antes de empezar la

práctica.

1.4 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO PLANTA DE REFRIGERACION

1.5 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA DE REFRIGERACION

El sistema de enfriamiento utiliza un compresor que desplaza un gas refrigerante hacia un

evaporador, este evaporador disminuye la temperatura del líquido refrigerante en el cual esta

sumergido el intercambiador de calor, al desplazar un líquido a través del intercambiador este

entrega su calor al líquido refrigerante causando que el líquido se enfrié. Tanto la tubería como el

líquido refrigerante tienen dispuestos termistores conectados a un transmisor de 0v a 10v. Un

selector ubicado en el tablero externo de prácticas permite elegir el direccionamiento de los

sensores y del relé de activación del compresor. Al seleccionar el modo de PLC, este interconecta

los sensores con el PLC Embebido y permite visualizar los valores de temperatura y apertura de la

servo-válvula en una web HMI. Al elegir el modo externo se deberá conectar otro dispositivo ajeno

a la planta para realizar prácticas.

NEVERA

COMPRESOR EVAPORADOR Relé INTERCAMBIADOR Termistores

NTC

Transmisor

de

temperatura

PLC EMBEBIDO SERVO-VALVULA

SELECTOR

TABLERO EXTERNO

HMI

1.6 PRACTICA DE LABORATORIO #1

1.6.1 Prueba de enfriamiento del refrigerante

Para poder llevar a cabo el proceso, primero se debe llevar el líquido refrigerante dentro del

contenedor de la nevera a una temperatura óptima, gracias a un termistor ubicado al interior del

contenedor se puede verificar y controlar la temperatura que deseemos. Para llevar a cabo este

proceso es necesario conocer el comportamiento tanto del termistor como el de la nevera. En la

industria es indispensable conocer las curvas características de los sensores que se están utilizando

en la planta, para conocer el comportamiento de la misma y poder ejecutar acciones de control

pertinentes.

Módulos Requeridos

- Fuente de alimentación de 24V

- Tablero de prácticas externas

- Termistor NTC

- Relé de accionamiento del compresor

PROCEDIMIENTO

1. Ubicar la planta en un lugar completamente plano y en un lugar con suficiente espacio al lado de

un tomacorriente.

2. Verificar que el tomacorriente este habilitado

3. Conecte el cable de poder de la planta al tomacorriente

4. Antes de encender verifique que los interruptores del tablero de prácticas se encuentren en modo

externo.

5. Encienda la planta utilizando el interruptor termomagnético ubicado en la parte superior

izquierda del tablero eléctrico.

6. Conecte el relé de accionamiento de la nevera utilizando una fuente de alimentación de 24v

conectado a la bornera correspondiente en el tablero de prácticas (tenga en cuenta que este relé

solo puede ser accionado con una tensión de 24V).

PRECAUCION: No aplique por ningún motivo una señal de alta frecuencia, puede causar el mal

funcionamiento del equipo incluso su avería. El compresor está protegido contra señales oscilantes,

si usted enciende y apaga el compresor en un lapso corto de tiempo deberá esperar por lo menos

10 minutos para que el sistema de seguridad le permita accionar de nuevo el compresor.

7. Con la ayuda de un multímetro mida la variación de voltaje presente en las borneras del sensor

de temperatura de refrigerante, realice esto cada 10 minutos a partir de la primera medición.

8. Encuentre la resistencia correspondiente para el termistor utilizando la siguiente ecuación:

𝑅𝑁𝑇𝐶 =5.1𝐾Ω

(10𝑉𝑉𝑀

− 1)

Donde Vm es el voltaje medido.

9. Utilizando la siguiente tabla encuentre una curva característica para el sensor e indique la

temperatura correspondiente a partir de la resistencia encontrada en el punto anterior.

9. Consigne los datos obtenidos en la siguiente tabla:

TIEMPO VOLTAJE RESISTENCIA TEMPERATURA

0 MINUTOS

10 MINUTOS

20 MINUTOS

30 MINUTOS

40 MINUTOS

50 MINUTOS

60 MINUTOS

70 MINUTOS

80 MINUTOS

90 MINUTOS

100 MINUTOS

110 MINUTOS

120 MINUTOS

10. Escriba tres conclusiones de la práctica.


1.7.1 Comprobación de la planta de refrigeración en lazo abierto

Para poder determinar el control más apropiado para la planta, primero se debe conocer su

respuesta temporal en lazo abierto. Esta respuesta puede ser encontrada de muchas maneras y una

de ellas es de forma experimental. El objetivo de esta práctica será encontrar dicha respuesta

utilizando una señal paso para excitar al sistema, obtener la curva de reacción del sistema y por

métodos matemáticos encontrar la función de transferencia del sistema.

Equipos Requeridos

- Terminal Windows con ACP resologis y navegador web instalados


- Tablero de prácticas

- Termistores NTC


- PLC embebido

- Switch Ethernet

- Patch Cord Ethernet

- Líquido de pruebas (agua)

PROCEDIMIENTO


un tomacorriente.




automático.



6. Conecte el patch cord de la terminal al switch ubicado en el tablero eléctrico

7. Verifique que el terminal que esté utilizando tenga una dirección ip fija (se recomienda la de la

imagen)

8. Se debe cargar un programa especial en la tarjeta, para llevar a cabo esto verifique que las

carpetas “practica_2” y “practica_3” se encuentren en el directorio

C://users/admin/documentos/ACP6.4

9. Abra el archivo practica_2 contenido en la carpeta “practica2” utilizando el programa ACP 6.4 de

resologis. Presione el icono de descargar el programa y presione en si a todo en la ventana

emergente.

10. Ingrese a un navegador web y digite la dirección “192.168.0.2/view7” y aparecerá la siguiente

pantalla:

11. Presione el botón de “chiller” el cual encenderá el compresor de la nevera y lleve el sistema a

una temperatura de 1° centígrado, esta temperatura será indicada en alguno de los 2 indicadores

de la interfaz

12. Una vez llegado a la temperatura de control, ajuste el ángulo de apertura de la servo-válvula en

“170” utilizando el teclado de la aplicación, ingrese el número seguido de la tecla ok. Esto llevara a

la válvula a la apertura máxima.

13. Conecte el canal A de un osciloscopio al conector del sensor de salida de producto ubicado en

el tablero de prácticas, utilizando un cable banaba-caimán. (Ajuste la escala de voltaje entre 2V y 5V

por división, y la escala de tiempo entre 1s y 5s por división).

14. Utilizando la bomba ubicada en la panta de dosificación (o bien una bomba externa con su

correspondiente acoplamiento) haga pasar agua a través del sistema y compruebe la curva obtenida

en el osciloscopio.

15. Se espera que el sistema se comporte como uno de segundo orden, el cual tiene la siguiente

ecuación característica:

𝐺(𝑠) =𝜔𝑛

2

𝑠2 + 2𝜁𝜔𝑛𝑠 + 𝜔𝑛2

Teniendo en cuenta la curva obtenida con el osciloscopio indique los siguientes datos descriptivos:

a. Máximo sobreimpulso Mp

b. Tiempo de establecimiento Ts

c. Ganancia K

d. Tiempo de máximo sobreimpulso Tp

16. A partir de los datos obtenidos en el punto anterior y utilizando algún criterio de control

encuentre la función de transferencia del sistema.



1.7.1 Control PID sobre la planta de refrigeración

Una vez obtenida la función de transferencia del sistema y conocer su comportamiento, el siguiente

paso a seguir es elegir la acción de control que mejor se ajuste al mismo. En esta práctica se va a

estudiar los controladores PID, gracias a la sencillez con que pueden ser implementados en el PLC

del sistema, además que son controladores muy utilizados en la industria.

Equipos Requeridos

- Terminal Windows con ACP resologis y navegador web instalados


- Tablero de prácticas

- Termistores NTC


- PLC embebido

- Switch Ethernet

- Patch Cord Ethernet

- Líquido de pruebas (agua)

PROCEDIMIENTO


un tomacorriente.




automático.



6. Conecte el patch cord de la terminal al switch ubicado en el tablero eléctrico

7. Verifique que el terminal que esté utilizando tenga una dirección ip fija (se recomienda la de la

imagen)

8. Se debe cargar un programa especial en la tarjeta, para llevar a cabo esto verifique que las

carpetas “practica_2” y “practica_3” se encuentren en el directorio

C://users/admin/documentos/ACP6.4

9. Abra el archivo practica_3 contenido en la carpeta “practica3” utilizando el programa ACP 6.4 de

resologis. Presione el icono de descargar programa y presione en si a todo en la ventana emergente.

10. Ingrese a un navegador web y digite la dirección “192.168.0.2/view6” y aparecerá la siguiente

pantalla:

11. Presione el botón de “chiller” el cual encenderá el compresor de la nevera y lleve el sistema a

una temperatura de 1° centígrado, esta temperatura será indicada en alguno de los 2 indicadores

de la interfaz

12. Una vez llegado a la temperatura de control el sistema estará listo para recibir el producto.

Active los botones correspondientes al módulo PID para que este pueda funcionar.

13. Puede utilizar el teclado numérico para ajustar el set point deseado, este valor determina la

temperatura en °C a la cual se quiere llevar el producto, dependiendo del valor que se elija el

controlador ajustara la servo-válvula reduciendo o prolongando el tiempo que el producto pasa en

el intercambiador (flujo). Se observara el diferencial de temperatura entre la entrada y la salida de

producto gracias a los indicadores gráficos y numéricos de la interfaz.

14. Ajuste el set point entre valores de 4°C y 12°C de temperatura y realice tres pruebas. Determine

el tiempo en que la salida de producto llega a la temperatura seleccionada y verifique los cambios

de ángulo que presenta la servo-válvula (este cambio también se puede ver en la interfaz),

finalmente calcule el diferencial de temperatura entre la entrada y la salida, así como su variación

en el tiempo. Consigne estos datos en una tabla.

NOTA: Si la temperatura de refrigerante asciende a 3°C detenga la prueba y vuelva a enfriar el

sistema a 1°C

15. En este momento el controlador está ajustado con los coeficientes óptimos para el mejor

funcionamiento (proporcional, integral y derivativo), para modificar estos valores deben ser

cambiados en el programa “practica 3” y ser descargado en el PLC de la siguiente forma:

16. Realice una prueba más con los nuevos valores de ganancias y repita lo indicado en el punto 14.

¿Qué diferencias hay?, ¿si se llega al valor de set point?


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