DEPARTAMENTO DE ELECTRNICA INSTRUMENTACIN Y

CONTROL

GUIA DE LABORATORIO CONTROL DE PROCESOS

PLANTA PROCESS TRAINER PT 326

Por. Diana Vergara

Andrea Enrquez

Mara Fernanda Prez

Werner Yamid Serna

Victor Torres

Oscar Velasco

UNIVERSIDAD DEL CAUCA

POPAYN1. INTRODUCCIONEl Laboratorio de Control de Procesos busca desarrollar una serie de proyectos con los cuales se entiendan y afiancen los conceptos fundamentales relacionados con los procesos de medicin y manejo de equipos de instrumentacin, de las diferentes tcnicas de control, que permiten iniciar la exploracin en la utilizacin de stos en los diversos campos de aplicacin, de tal forma que se logre una interrelacin entre el aspecto terico y el desenvolvimiento en el manejo prctico, para as conjugar la visin de todo un bagaje de conocimientos adquiridos previamente con la sana costumbre de la bsqueda, la investigacin y la consulta, estructurando un desarrollo de destrezas y habilidades en el planteamiento, anlisis y solucin de problemas que permitan atacar con claridad metodolgica las eventualidades que puedan presentarse en el desarrollo de este tipo de situaciones.

Se ha buscado que las prcticas sugeridas recojan la mayora de los conceptos adquiridos con anterioridad, as como el incentivar la bsqueda de soluciones de ingeniera mediante la utilizacin de implementaciones prcticas que ofrezcan tambin soluciones reales a requerimientos especficos.

Esta gua tiene como principal finalidad el trabajar con el mdulo Entrenador de Procesos PT 326 de Feedback en el cual se controla la temperatura del aire en un ducto. Este mdulo modela situaciones industriales comunes, en las cuales se requiere control de temperatura, en presencia de retardos temporales y retrasos de transferencia.2. OBJETIVOS2.1 Objetivo general

Controlar la temperatura en el proceso del mdulo PT326 de Feedback, aplicando diferentes estrategias de control depuestos en l y en elementos externos a l.

2.2 Objetivos especficos.

Reconocer los elementos del mdulo Feedback PT326.

Reconocer el proceso que se lleva a cabo en el mdulo PT326.

Reconocer los diferentes elementos de la planta.

Reconocer los disturbios que afectan el proceso. Reconocer los esquemas de control incluidos en el mdulo Feedback PT326. Reconocer la utilidad de la tarjeta acondicionadora de seales. Modelar el comportamiento del proceso.

Caracterizar el sensor de temperatura.

Implementar un control proporcional, un control todo o nada y un control PID por medio del software Labview. Implementar un control PID para el control de temperatura utilizando un PLC micrologix 15003. MARCO TEORICOEl proceso contenido en el PT 326 toma aire de la atmosfera, succionado por un ventilador centrifugo y calentado mientras pasa sobre una rejilla calefactora siendo liberado a la atmosfera por medio de un ducto. Para realizar dicho control el mdulo cuenta con dos tipos de controles propios; control todo o nada y control proporcional. Adems el mdulo permite realizar control externo por diferentes alternativas de control.

En la figura 1 se muestra un esquema de la distribucin de los elementos para el proceso de control de temperatura del mdulo PT326 de la Feedback.

Figura 1. Proceso implementado en el mdulo

Proceso: Este trmino genrico se utiliza para describir un cambio fsico, qumico, conversin de energa, etc. A un proceso se le pueden asignar una serie de variables como pueden ser la presin, temperatura o velocidad de un fluido, ritmo al que se produce una reaccin qumica, nivel de lquido en un tanque, etc. En el caso que nos ocupa la temperatura del aire que circula por el ducto es la variable del proceso a controlar. Dicha temperatura es elevada a un valor deseado dentro del rango de la temperatura ambiente hasta 80C.El proceso contenido en el PT 326 toma aire de la atmosfera, succionado por un ventilador centrifugo y calentado mientras pasa sobre una reja calefactora siendo liberado a la atmosfera por medio de un ducto, en este proceso se realiza control de temperatura, en presencia de retardos temporales, disturbios como aumento de la temperatura y entrada de aire frio por medio de la apertura de una vlvula manual.Valor medido To (bridge circuit): Es la seal de salida del elemento medidor correspondiente a la variable del proceso a controlar: La temperatura en el ducto, que se puede medir en el puerto Y del mdulo.Valor fijado Ti (set value): Este es el valor de la referencia, es decir, es el valor deseado de la temperatura. Este valor se puede ajustar mediante un potencimetro, o mediante la aplicacin de una tensin exterior comprendida entre 0 y 10 V. introducida por el puerto D del mdulo.

Elemento actuador (power supply): En cualquier proceso este elemento produce una salida que puede tomar la forma de potencia elctrica, desplazamiento mecnico, etc. El nivel de la seal de salida se ajusta en respuesta a una seal procedente del elemento controlador. En este equipo el elemento motor es una fuente de alimentacin variable que proporciona una salida elctrica entre 15 y 80 vatios segn determine la seal controladora.

Desviacin T: Es la diferencia entre el valor fijado y el valor medido T = Ti To. Medida por el puerto B del mdulo.

Elemento comparador (Comparing Element): Se utiliza un amplificador sumador para comparar el valor medido con el valor fijado. En este equipo las seales estn dispuestas de forma que sean de signo opuesto, de modo que la salida del amplificador sumador representa la desviacin. Esta desviacin puede medirse a travs del puerto B.

Elemento controlador: Se aplica una seal proporcional del error al elemento controlador, que genera a continuacin una seal de control para ser transmitida al elemento motor. En este equipo el elemento controlador puede ser conmutado (mediante el interruptor C2) para dar control continuo (C2 arriba) o control todo-nada (C2 abajo). La salida de control puede ser supervisada mediante el terminal C del panel frontal.

Control continuo: El tipo de control continuo depende de la posicin del interruptor C1.Interno (C1 arriba). Permite nicamente una accin proporcional. La ganancia se ajusta utilizando un potencimetro. Dicha ganancia viene dada en tantos por ciento. El valor de la ganancia es el inverso del valor que marque el potencimetro multiplicado por 100 (banda proporcional).

Externo (C1 abajo). El ajuste de banda proporcional puede ser desconectado del circuito y en su lugar puede conectarse un PLC u otro tipo de controlador externo. Este permite utilizar accin PI, PD y PID.

Control Todo-Nada (Two-step Control) Cuando el elemento controlador est conmutado para accin de dos pasos o encendido-apagado. Este tipo de control consiste en que la seal de control slo puede tomar dos valores. La conmutacin de la seal de control se realiza fundamentalmente al cambiar el error de signo (ver figura 2).

Figura 2.Control todo o nada

Los parmetros ms significativos de este control son la potencia calrica mxima (M) y la histresis (overlap), que son definidos a continuacin:A. Potencia calrica mxima (max heater power): Mediante esta seal se entrega ms potencia entre 15 y 80 vatios al elemento motor durante los periodos de encendido".B. Histresis (overlap). Con un solape nulo la seal de salida controladora hace que la potencia aplicada al calefactor alterne entre niveles mximo y mnimo a medida que la condicin controlada cae por debajo o sube por encima del valor deseado.

Con un solape dado, la seal de salida controladora hace que la potencia aplicada al calefactor alterne entre niveles mximo y mnimo a medida que la condicin controlada cae por debajo de un limite inferior (valor deseado solape () ) o sube por encima de un limite superior (valor deseado + solape () ). El valor de solape est entre 0 y 4V. La histresis del actuador se puede observar en la figura 3.

Figura 3 .inclusion de histeresis

Elemento final de control: Afecta directamente a la variable controlada. En este equipo el elemento final de control es una rejilla de alambre calentada elctricamente, a la que se aplica la salida del elemento motor. El calor es transferido desde la rejilla a la corriente de aire, siendo el ritmo de la transferencia de calor dependiente de la temperatura del calefactor, de la velocidad de la corriente de aire, etc.Perturbacin del valor fijado: Accionando el interruptor P "perturbacin interna" del valor fijado (set value disturbance), se aplica internamente un cambio en escaln sobre el valor de consigna fijado. Es decir, a la referencia se le adiciona un valor no planificado de temperatura.

Vlvula manual: cuya funcin es la de dejar entrar ms o menos aire al ducto. Por tanto, cuanto ms abierta este la trampilla ms aire entra para ser calentado y menor ser la temperatura del aire de salida (supuesta una fuente de calor constante).4. INSTRUMENTOS DE LABORATORIO El mdulo de simulacin de procesos Feedback PT 326.

Dos multmetros. Una termocupla tipo k. Panel de control con la tarjeta de acondicionamiento y un PLC micrologix 1500

Un osciloscopio

Cables.

Un PC con el software Rocwell y el software Labview instalados.

tarjeta NI USB-6009 de National Instruments.4.1. Elementos auxiliares de la planta.4.1.1. Tarjeta de adquisicin de datos de Labview

En esta gua de propone la realizacin de algunas prcticas elaboradas bajo el software de Labview en la cual se implementan una serie de interfaces para desarrollar los siguientes procedimientos: ganancia del sensor de temperatura, control todo o nada, control proporcional de temperatura, control PID. Estas interfaces necesitan recibir y entregar las seales del proceso. Estas seales de la planta son adquiridas y entregadas por un PC, para tal fin se decidi hacer uso de la tarjeta NI USB-6009, ver figura 4.

Figura 4. Tarjeta NI USB-6009.4.1.2. Tarjeta de acondicionamiento de seales

El mdulo de control de procesos Feedback PT326 entrega varias seales entre las cuales estn; la variable del proceso, la seal de error, el esfuerzo de control, stas varan en rangos con valores positivos y negativos. As mismo el mdulo recibe seales como el valor deseado externo y el esfuerzo de control externo que tambin varan entre rangos con valores negativos y positivos.

Se deben implementar las prcticas de los diferentes tipos de controles en el software Labview haciendo uso de la tarjeta NI USB-6009 para comunicar las seales que entrega la planta con el programa Labview y comunicar las seales que el mismo programa entrega a la planta.

As mismo se implementan las prcticas de los controles en software Rockwell para poder ser controladas por el PLC de Allen Bradley, este dispositivo tambin recibe seales analgicas de la planta y entrega seales analgicas a la misma.

Se deben acondicionar las seales debido a que la planta entrega un rango de valores positivos y negativos, mientras que la tarjeta de Labview y el PLC reciben slo voltajes positivos entre 0 y 10 voltios, por otra parte, la tarjeta de Labview y el PLC entregan seales positivas entre 0 y 5 voltios y 0 y 10 voltios respectivamente. La planta recibe seales de valores positivos y negativos y por lo tanto no se le pueden conectar la tarjeta de Labview y el PLC directamente.

Se construy una tarjeta de acondicionamiento de los valores de seales entregadas y recibidas por la planta

Figura 5. Tarjeta de acondicionamiento de seales.

4.1.3. Panel de control

Para una mayor organizacin cada instrumento debe colocarse en un panel de control en el cual estn los elementos que se necesitan para el funcionamiento de la planta y para el desarrollo de las prcticas. Para esta planta se tiene el panel de control de la figura 6.

Figura 6. Panel de controlListado de elementos en el panel de control:

1. Un PLC Micrologix 1500 con un mdulo de 4 entradas 2 salidas analgicas y un mdulo de salidas analgicas.2. Relevos de control.3. Tarjeta de acondicionamiento

4. Borneras.

5. Cable de alimentacin del PLC

6. Cable serial del PLC

Los relevos de control servirn para cambiar el funcionamiento entre el PLC y la tarjeta NI USB-6009 cuando se coloque esta tarjeta en el panel.Los cables negros son para indicar las entradas al PLC y los cables rojos para indicar las salidas del PLC. Los cables blancos son para indicar la tierra de cada una de la seales incluyendo la referencia de la tarjeta de acondicionamiento de seales.A las borneras llagan las seales de entrada y salidas de la tarjeta de acondicionamiento de seales, estas borneras se colocaron con el fin de dejar el cableado del PLC con los relevos de control y solamente cambiar el cableado cuando se ponga la tarjeta de acondicionamiento impresa y se quite la actual ya que esta armada en una protoboard.

4.1.4. Osciloscopio

Para realizar las prcticas solamente con el mdulo PT326 se requiere de la asistencia de un osciloscopio digital Tektronix 2430A con el fin de registrar el valor de las diferentes variables y hacer las mediciones necesarias en cada una de las prcticas. El osciloscopio de la figura 7 es el utilizado para esta planta.

Figura 7. Osciloscopio digital Tektronix 2430A4.1.5. MultimetroLa planta cuenta con un circuito puente de acondicionamiento. Este circuito de acondicionamiento viene con un indicador de temperatura tipo aguja, el cual esta calibrado de fbrica para el sensor original, debido a que se realiz un cambio de sensor, este indicador ya no es confiable para observar las medidas, por lo tanto se realiza esta medicin por medio de una termocupla tipo k conectada a un multmetro.

Figura 8. Multimetro digital Fluke 1875. PRACTICAS5.1. Reconocimiento de planta y proceso5.2. Caracterizacin del sensor

5.3. Modelado de sistema

5.4. Control Todo / Nada

5.5. Control continuo

5.6. Monitoreo y control en labView

5.7. Sinstonizacin de PID en un PLC MicroLogix 1500

5.8. Ethernet y OPCUNIVERSIDAD DEL CAUCA

LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS

INGENERIA EN AUTOMTICA INDUSTRIAL

FACULTAD DE ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONES

MDULO FEEDBACK PT326P R C T I C A N. 1

RECONOCIMIENTO DE PLANTA Y PROCESO

CONTENIDO

1. OBJETIVOS... 22. INTRODUCCION... 33. DESCRIPCION DE EQUIPO Y HERRAMIENTAS.. 44. DESCRIPCION DEL PROCESO 65. ACTIVIDADES Y PREGUNTAS.. 101. OBJETIVOSOBJETIVO GENERAL

Reconocer los elementos que componen el Mdulo Feedback PT326; y del proceso que se lleva a cabo en el mismo, para poder realizar las diferentes prcticas de control de temperatura.OBJETIVOS ESPECIFICOS

Adquirir habilidad y destreza en el uso y manejo del equipo dispuesto para la prctica.

Reconocer el proceso que se lleva a cabo en el mdulo PT326.

Hacer las interconexiones necesarias en el Mdulo Feedback PT326 para obtener diferentes sistemas.

2. INTRODUCCIONEl conocer a fondo las elementos que componen algn instrumento, nos permite adquirir habilidades y destrezas que pueden ayudarnos a resolver problemas de una manera ms eficaz y eficiente a lo largo del laboratorio de control de procesos, es por ello que esta prctica es de suma importancia y debe realizarse de forma introductoria, para que en el momento de las prcticas las habilidades adquiridas sean utilizadas ptimamente.

El modulo feedback PT326 es un simulador de situaciones reales que se pueden presentar cuando se quiere controlar temperatura, una variable muy comn en ambientes industriales, es por ello que el conocimiento de este modelo de una u otra forma nos formar para situaciones reales, aunque en pequea escala.

3. DESCRIPCION DE EQUIPO Y HERRAMIENTAS

Mdulo feedback PT326

a. Un ducto para salida del aire con tres orificios para censar la temperatura en diferentes posiciones.

b. Una vlvula manual para entrada de aire a temperatura ambiente que permite realizar el control manual y a su vez puede actuar como disturbio.

c. Perilla para fijar el valor deseado de temperatura, la cual debe estar entre la temperatura ambiente y un mximo de 80C.

d. Indicador analgico para observar el valor deseado de temperatura.

e. Indicador analgico para observar el valor de temperatura actual del proceso

f. Perilla para variar el valor de la banda proporcional.

g. Perilla para variar el valor de histresis.

h. Perilla para variar la potencia calrica mxima en la rejilla.

i. Interruptor para cambiar de control continuo a control todo o nada y viceversa

j. Interruptor para cambiar de un control externo (realizado por PLC o PC) a control proporcional y viceversa.

k. Interruptor para introducir un disturbio o aumento de temperatura.

l. Termistor utilizado como instrumento de medicin de temperatura.

m. puerto balance, utilizado para calibrar el sensor (Anexo 1)

n. Orificios donde se puede ubicar las tapas o el termistor

o. Tapas de orificios para bloquear fugas de aire.

p. Ventilador que produce flujo de aire.

q. Rejilla de calentamiento, que permite variar la temperatura del flujo de aire proveniente del ventilador.

4. DESCRIPCION DEL PROCESO

En la figura 1 se muestra un esquema de la distribucin de los elementos para el proceso de control de temperatura del mdulo PT326 de la Feedback.

Proceso: Este trmino genrico se utiliza para describir un cambio fsico, qumico, conversin de energa, etc. A un proceso se le pueden asignar una serie de variables como pueden ser la presin, temperatura o velocidad de un fluido, ritmo al que se produce una reaccin qumica, nivel de lquido en un tanque, etc. En el caso que nos ocupa la temperatura del aire que circula por el ducto es la variable del proceso a controlar. Dicha temperatura es elevada a un valor deseado dentro del rango de la temperatura ambiente hasta 80C.

El proceso contenido en el PT 326 toma aire de la atmosfera, succionado por un ventilador centrifugo y calentado mientras pasa sobre una reja calefactora siendo liberado a la atmosfera por medio de un ducto, en este proceso se realiza control de temperatura, en presencia de retardos temporales, disturbios como aumento de la temperatura y entrada de aire frio por medio de la apertura de una vlvula manual.

Valor medido To (bridge circuit): Es la seal de salida del elemento medidor correspondiente a la variable del proceso a controlar: La temperatura en el ducto, que se puede medir en el puerto Y del mdulo.

Valor fijado Ti (set value): Este es el valor de la referencia, es decir, es el valor deseado de la temperatura. Este valor se puede ajustar mediante un potencimetro, o mediante la aplicacin de una tensin exterior comprendida entre 0 y 10 V. introducida por el puerto D del mdulo.

Elemento actuador (power supply): En cualquier proceso este elemento produce una salida que puede tomar la forma de potencia elctrica, desplazamiento mecnico, etc. El nivel de la seal de salida se ajusta en respuesta a una seal procedente del elemento controlador. En este equipo el elemento motor es una fuente de alimentacin variable que proporciona una salida elctrica entre 15 y 80 vatios segn determine la seal controladora.

Desviacin T: Es la diferencia entre el valor fijado y el valor medido T = Ti To. Medida por el puerto B del mdulo.

Elemento comparador (Comparing Element): Se utiliza un amplificador sumador para comparar el valor medido con el valor fijado. En este equipo las seales estn dispuestas de forma que sean de signo opuesto, de modo que la salida del amplificador sumador representa la desviacin. Esta desviacin puede medirse a travs del puerto B.

Elemento controlador: Se aplica una seal proporcional del error al elemento controlador, que genera a continuacin una seal de control para ser transmitida al elemento motor. En este equipo el elemento controlador puede ser conmutado (mediante el interruptor C2) para dar control continuo (C2 arriba) o control todo-nada (C2 abajo). La salida de control puede ser supervisada mediante el terminal C del panel frontal.

Control continuo: El tipo de control continuo depende de la posicin del interruptor C1.

Interno (C1 arriba). Permite nicamente una accin proporcional. La ganancia se ajusta utilizando un potencimetro. Dicha ganancia viene dada en tantos por ciento. El valor de la ganancia es el inverso del valor que marque el potencimetro multiplicado por 100 (banda proporcional).

Externo (C1 abajo). El ajuste de banda proporcional puede ser desconectado del circuito y en su lugar puede conectarse un PLC u otro tipo de controlador externo. Este permite utilizar accin PI, PD y PID.

Control Todo-Nada (Two-step Control) Cuando el elemento controlador est conmutado para accin de dos pasos o encendido-apagado. Este tipo de control consiste en que la seal de control slo puede tomar dos valores. La conmutacin de la seal de control se realiza fundamentalmente al cambiar el error de signo (ver figura 2).

Los parmetros ms significativos de este control son la potencia calrica mxima (M) y la histresis (overlap), que son definidos a continuacin:

A. Potencia calrica mxima (max heater power): Mediante esta seal se entrega ms potencia entre 15 y 80 vatios al elemento motor durante los periodos de encendido".

B. Histresis (overlap). Con un solape nulo la seal de salida controladora hace que la potencia aplicada al calefactor alterne entre niveles mximo y mnimo a medida que la condicin controlada cae por debajo o sube por encima del valor deseado.

Con un solape dado, la seal de salida controladora hace que la potencia aplicada al calefactor alterne entre niveles mximo y mnimo a medida que la condicin controlada cae por debajo de un limite inferior (valor deseado solape ()) o sube por encima de un limite superior (valor deseado + solape ()). El valor de solape est entre 0 y 4V.la histresis del actuador se puede observar en la figura siguiente.

Elemento final de control: Afecta directamente a la variable controlada. En este equipo el elemento final de control es una rejilla de alambre calentada elctricamente, a la que se aplica la salida del elemento motor. El calor es transferido desde la rejilla a la corriente de aire, siendo el ritmo de la transferencia de calor dependiente de la temperatura del calefactor, de la velocidad de la corriente de aire, etc.

Perturbacin del valor fijado: Accionando el interruptor P "perturbacin interna" del valor fijado (set value disturbance), se aplica internamente un cambio en escaln sobre el valor de consigna fijado. Es decir, a la referencia se le adiciona un valor no planificado de temperatura.

Vlvula manual: cuya funcin es la de dejar entrar ms o menos aire al ducto. Por tanto, cuanto ms abierta este la trampilla ms aire entra para ser calentado y menor ser la temperatura del aire de salida (supuesta una fuente de calor constante).

5. ACTIVIDADES Y PREGUNTAS

Con la ayuda de la informacin suministrada en este documento realice la siguiente actividad:

1. En la figura 5 seale con un crculo lo siguiente:

Puerto de medida de la variable controlada

Valor fijado Ti.

Elemento motor.

Elemento comparador.

Control contino.

Control Todo-Nada.

Potencia calrica mxima.

Overlap.

Elemento actuador.

Perturbacin del valor fijado.

Vlvula manual.

Figura 5. Proceso PT 3262. Dibujar el correspondiente diagrama de bloques del proceso indicando el control, el sensor, la planta y el actuador.3. La figura 6 corresponde al panel lateral izquierdo del mdulo de control de procesos Feedback PT326, identifique los nombres de los interruptores encerrados en los crculos rojos y explique su funcin.

Figura 6. Vista lateral del mdulo PT326

4. En qu lugar dentro del ducto cree que se debe colocar la termocupla y por qu?

5. Identificar cable o elemento que mide la variable manipulada.

6. Teniendo en cuenta los disturbios que reconoci anteriormente, mencione por lo menos 2 elementos que al manipularse generan un disturbio.

7. Cual es la variable controlada en el proceso del mdulo de control de procesos PT326?

8. Qu variable se manipula para realizar control en el mdulo de control de procesos PT326? En qu unidades de ingeniera se expresa?

9. Que disturbios cree usted que se pueden presentar en este proceso?, clasifique estos disturbios en crticos y no crticos.

10. Cul de los siguientes esquemas de control es el mas adecuado para este proceso?. Justifique

Todo/Nada

P

PI

PD

PID

FEEDFORWARD

11. Llene la siguiente tabla:

Variable Controlada

Variable Manipulada

Perturbaciones

EFC

Esquema de control implementado

Descripcin