manual de operación del equipo de control automatico de temperatura (1)

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2013 Programa de Ingeniería Química Universidad de Cartagena 26/11/2013 MANUAL DE OPERACIÓN DEL EQUIPO DE CONTROL AUTOMATICO DE TEMPERATURA

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manual de operación de equipo de control de temperatura

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Page 1: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Programa de Ingeniería Química

Universidad de Cartagena

26/11/2013

2013MANUAL DE OPERACIÓN DEL EQUIPO DE CONTROL AUTOMATICO DE TEMPERATURA

Page 2: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Equipo elaborado por:

Jeyk A. Álvarez CalderónEmanuel Anchique PauttCristian C. Bermúdez Lindado María B. Bernal NarváezClaudia M. Cabrera SanmartínYessica Cuadro MezaJorge Esquivel Del RiscoJulio Estrada RomeroCristhian Flórez FonsecaViviana Gómez ChicoHéctor Jiménez RomeroJohan A. Muñoz CarbalAdrián A. Quiroz FernándezJulián Villalba Barrios

PROFESORALVARO REALPE JIMENEZIng. Química, PhD.Universidad de Cartagena Programa de Ingeniería QuímicaIX Semestre

Page 3: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

TABLA DE CONTENIDO

Pag.Introducción….……………………………………………………………………………41. Descripción del proceso.......…………………………………………….……………5 2. Equipo de Control Automático de Temperatura……………………...…………….63. Características de la válvula de control……………………………….…………….84. Características de la bomba…………………………………………….………..…..95. Características del Controlador………………………………………….………….106. Características de los Termómetros y la Termocupla…...……………..…….…..137. Características del Transductor……………………………………………………..148. Características del Termostato…...…………………………………………………15Practicas a realizar con el equipo Control automático de temperatura…..………..14

Familiarización, control de procesos de temperatura lazo cerrado……..….14Obtención Del Modelo De Primer Orden Más Tiempo Muerto Del Proceso de temperatura……………………………………….......................................23Control Proporcional E Integral De Un Proceso De Temperatura………….26

Page 4: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

INTRODUCCION

El control de procesos es un campo de la ingeniería que se enfoca en la optimización de aquellos procesos con fines productivos, investigativos y educativos, la importancia de estos se ha incrementado dada la necesidad de garantizar confiabilidad en los mismos. La implementación de un adecuado sistema de control puede significar una mejora de la operación relacionada con el incremento de la productividad y la confiabilidad, mejora de la calidad, ahorro energético, seguridad operativa, reducción de los costos de producción, fácil acceso de los datos del proceso, etc.

El control de procesos consiste en la recepción de unas entradas, variables del proceso, su procesamiento y comparación con valores predeterminados, y posterior corrección en caso de que se haya producido alguna desviación respecto al valor preestablecido de algún parámetro de proceso. Dada la naturaleza dinámica de los procesos siempre ocurren cambios en estos, por ello la necesidad de establecer sistemas que permitan supervisar y actuar sobre ellos de una forma controlada, para esto las variables que se registran y regulan durante el desarrollo de procesos son el caudal, concentración, presión y la temperatura.

La modelación, diseño y montaje de un sistema de control real, se convierte en una herramienta eficaz de aprendizaje para el control automático de procesos, gracias a la íntima relación entre los estudiantes y la ejecución del proyecto, dando como resultado un conocimiento más profundo de este tipo de sistemas y de cada uno de sus componentes, afianzándose así los conocimiento teóricos aprendidos durante el transcurso de la asignatura “Control de Procesos”.

Page 5: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

El siguiente esquema describe un sistema propuesto para el control de la temperatura de un fluido en un tanque atmosférico (Figura 1).

Figura F-01. Diagrama del sistema para el control de la temperatura en un tanque atmosférico.

En el diagrama tenemos un sistema conformado por dos tanques, TK-001 y TK-002, un switch de temperatura TI, un Rele KM-1, un termopar tipo K, un controlador de temperatura PID, una válvula de control proporcional TCV-001, y una bomba P-001. En el primer tanque TK-001 tenemos un control on/off para tener una control único de temperatura, es decir, que solo se activa y desactiva la resistencia cuando alcanza un set comandado por el switch TI. En el segundo tanque TK-002 tenemos un control proporcional de temperatura el cual está constituido por un termopar tipo K, un controlador PID y una válvula reguladora. En cuanto al lazo de control funciona de la siguiente manera: se mantiene un set-point deseado y programado en el PID, teniendo como respuesta un comportamiento proporcional-integral en la variable y en la válvula.

Gracias al control proporcional, vamos a tener una respuesta obedeciendo al cambio en el set-point. Con el control integral vamos a evitar que el comportamiento o apertura y cierre de la válvula sea brusco. Esta clase de controles se implementan con la variable temperatura, ya sea PI o PID debido a los cambios que sufre un fluido al variar su temperatura. Por su inercia térmica loa cambios son muy súbitos, por tal motivo debemos implementar este tipo de controles.

43 cm

30.48cm

120cm

f (t)=f o( t)

T 5=T m

TK−2

TK−1

TITI

TI

T 3(t)

f 3(t)

T 4

T i

f i=f (t)

T (t)

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2. EQUIPO DE CONTROL AUTOMATICO DE TEMPERATURA

El equipo de control automático de temperatura, como se puede ver en la figura F-02, consta de dos tanques, un panel de control, dos termómetros sensibles, un termostato, una bomba centrifuga, una válvula de control proporcional, una termocupla tipo K, una resistencia, un serpentín de acero inoxidable, tuberías de acero galvanizado, dos medidores de nivel, un transductor de corriente/presión, medidor de caudal y una base o soporte del equipo.

Figura F-02. Equipo de control automático de temperatura.

El panel de control del equipo es donde se enciende el equipo y se observa los valores de la temperatura en el tanque de control y la temperatura del SET POINT. Las partes que componen a este panel de control se pueden observar en la figura F-03.

Figura F-031. Display o pantalla del controlador.2. Switch de encendido ON/OFF del

equipo.3. Switch de encendido ON/OFF de

la bomba.4. Switch de encendido ON/OFF de

la resistencia.

Page 7: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

El esquema del circuito interno del panel de control del equipo de control automático de temperatura se puede apreciar en la figura F-04.

Figura F-04. Esquema del circuito interno del panel de control.

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3. CARACTERISTICAS DE LA VÁLVULA DE CONTROL

La válvula de control fue suministrada por la empresa A.R.T. especializada en equipos neumáticos utilizados en procesos de automatización e ingeniería. Esta consiste en una válvula de bola de acero inoxidable 316, la cual incluye un actuador rotativo de simple efecto tipo cremallera, como se puede ver en la figura F-05. La válvula cuenta con una tuerca de regulación, mediante la cual se ajusta el ángulo de giro del actuador, tal como se puede apreciar en la figura F-06. Las especificaciones de la válvula de control se pueden ver en la tabla T-01

Tabla T-01. Especificaciones de la valvula de control.Referencia de la Valvula PBACS04063Referencia del Actuador PACS063Tipo de Valvula BolaTipo de Actuador Rotativo, tipo cremalleraConexión 1/2 inA 19,0 cmB 15,15 cmC 7,5 cm

Figura F-05. Representación del movimiento del accionador.

Figura F-06. Vista posterior de la válvula de control. Ubicación de la

tuerca de regulación del accionador.

Figura F-07. Vista Frontal y Lateral de la válvula de control.

Page 9: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

4. CARACTERISTICAS DE LA BOMBA

La bomba utilizada en el equipo es de tipo centrifuga, y fue suministrada por la empresa City Pumps especializada en el diseño de bombas eléctricas de agua. Las especificaciones de la bomba aparecen en la tabla T-02.

Tabla T-02. Especificaciones de la bomba.Referencia IQ05MTipo CentrifugaCaudal 0,125 L/minCabeza 7,6 mCabeza mínima 5 mCabeza máxima 40 mPotencia 0,5 HPVoltaje 110 VCorriente 5,6 inTemperatura máxima 90ºC

Figura F-08. Bomba centrifuga de 0,5 HP.

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5. CARACTERÍSTICAS DEL CONTROLADOR

El controlador usado en este equipo fue suministrado por la empresa Autonics especializada en el diseño de sensores y controladores utilizadas en el control automático de todo tipo de proceso. El controlador es de tipo PID, las partes del mismo se pueden apreciar en la figura F-05.

Figura F-09. Partes del controlador.

El rango de entrada del controlador dependerá del tipo de sensor que se esté utilizando. En nuestro caso se trata de una termocupla tipo K, por tanto el rango de entrada es de -100°C a 1300°C. Las especificaciones del controlador aparecen en la tabla T-03.

Tabla T-03. Especificaciones del controlador.Referencia TZ4SP/TZ4STFuente de alimentación 100 a 240VEntrada del sensor Termocupla Tipo K, J, R, T, S, N, W.Método de Control P, PI, PIDHistéresis 2°C, para acción del control ON/OFFBanda proporcional (P) 0 a 100%Tiempo Integrado (I) 0 a 3600 segTiempo Derivado (D) 0 a 3600 segTemperatura de operación -10 a 50°C (ambiente)Humedad del ambiente 35 a 85% RhPeso 136 g

a. Ajustes de parámetros de control Proporcional, Integral y Derivativo.

Para seleccionar cada modo primero se debe poner el display en estado de arranque. Esto se consigue, presionando la tecla MODE (MD) durante 3 segundos.

Page 11: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Luego, procedemos a presionar la tecla MD hasta que en el menú aparezca el parámetro que deseamos ajustar en el controlador. En la figura F-10 se muestra el diagrama de flujo que representa los pasos a seguir para ajustar los parámetros del controlador.

Figura F-10. Diagrama de flujo para utilizar el controlador.

Si no es toca ninguna tecla durante 60 segundos, mientras que si selecciona cada modo, este retoma al estado de Arranque automáticamente.Se recomienda que el parámetro a ajustar en el control Proporcional no debe exceder el valor de 5, para una óptima respuesta.

b. Ajuste del valor del SET POINTPara ajustar el valor del SET POINT, se procede a seguir el procedimiento mostrado en la figura F-11.

Page 12: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Figura F-11. Pasos para ajustar el SET POINT.

Page 13: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

6. CARACTERISTICA DE LOS TERMOMETROS Y LA TERMOCUPLA.

Los termómetros usados son del tipo bimetálico de ejecución industrial. El bulbo y la caja están fabricados en acero inoxidable. Fabricados por la empresa Instrumentos WIKA S.A.U. Rango de la escala -5 a 115 ° C / 20 a 240 ° F (doble escala), vidrio de seguridad laminado

Figura F-12. Termómetros.

La termocupla utilizada en el equipo, es de tipo K, los metales del sensor son de cromel y alumel, los cuales manejan temperaturas entre -200 y 1370 °C.

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7. CARACTERISTICAS DEL TRANSTUCTOR

El transductor utilizado, en el equipo de control automático de temperatura, se trata de un transductor I/P electrónico, el cual acepta una señal de entrada eléctrica y produce una salida neumática proporcional. Generalmente, una señal de corriente en un rango de 4 a 20 mA se convierte a señal de presión en un rango de 0,2 a 1,0 bar (3 a 15 psi). El fluido de presión para este instrumento puede ser aire o gas natural.

Figura F-13. Transductor I/P.

La calibración de este instrumento se hace ajustando los tornillos que tiene en su parte posterior. El superior recibe el nombre de “cero” y determina la posición en que la válvula está completamente cerrada (esto para el caso de una válvula cerrada en falla) y el inferior recibe el nombre de “span” y determina la posición en que la válvula está completamente abierta. Es por esto que el tornillo cero debe ajustar un valor mínimo de 3psi y el tornillo span un valor máximo de 15psi.

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8. CARACTERISTICAS DEL TERMOSTATO.

El termostato utilizado en este equipo fue suministrado por la empresa Rainbow Electronics. Este instrumento maneja un rango de temperatura de 0 a 90°C, con un margen de ±5° C. El termostato no permite tanto el sobrecalentamiento como el sobre enfriamiento, gracias a su sistema ON/OFF que permite controlar y mantener la temperatura deseada. Las especificaciones del Termostato las encontramos en la tabla T-04.

Referencia PTS-090CRango 0 a 90°CCapacidad 16A/250VMargen de error ±5° CMaterial del sensor CobreTipo de interruptor SPDT

Figura F-14. Esquema del termostato.

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PRACTICAS A REALIZAR CON EL EQUIPO CONTROL AUTOMATICO DE TEMPERATURA EN UN TANQUE

FAMILIARIZACIÓN, CONTROL DE PROCESOS DE TEMPERATURA LAZO CERRADO.

Objetivos

Entender el proceso de control de lazo abierto. Entender el proceso de control de lazo cerrado. Controlar procesos de temperatura en modo de lazo abierto y en modo de lazo cerrado. Identificar las principales características, diferencias, ventajas y desventajas tanto del

control en lazo abierto como el control en lazo cerrado.

Equipo

Equipo dinámico de control de temperatura. Cronometro.

Descripción

Control de procesos de lazo abierto

Un sistema de control de procesos de lazo abierto es un sistema en el cual se controla una variable física únicamente mediante un punto de referencia (Set Point) y no se toma en cuenta el valor actual de la variable.

La figura F-15 muestra el diagrama de bloques de un sistema de control de procesos de lazo abierto:

Disturbio

Set point Variable

manipulada+

Variablecontrolada

Figura F-15: Diagrama de bloques de un sistema de control de procesos de lazo abierto

+

ProcesoElemento final

Page 17: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

El punto de referencia (Set Point) es el valor deseado para la variable que va a ser controlada. El Set Point puede ser ajustado manualmente, automáticamente o puede ser programado por el usuario.

El elemento de control es un dispositivo que manipula la variable que tiene influencia directa en la variable controlada.

Las cargas o perturbaciones producen que la variable controlada sea diferente al punto de referencia.

La variable controlada es una función de la variable manipulada y las cargas o perturbaciones.

La figura F-16 muestra el control de lazo-abierto de temperatura del agua en el tanque 2.

f 1

T set f 3 + T

Figura F-16: Control de lazo abierto del proceso de Temperatura en el tanque 2

El punto de referencia es la temperatura que se quiere alcanzar y es colocada manualmente.

El accionador convierte la temperatura de referencia en una alimentación proporcional la cual se aplica a la válvula.

La válvula modifica la cantidad de flujo volumétrico (variable manipulada) proporcional a su porcentaje de apertura.

La perturbación corresponde a cualquier variación de la cantidad de flujo que ingresa al tanque, el cual no podrá ser corregido por dicho lazo.

Control de procesos de lazo cerrado

La adición al sistema de un controlador y un lazo de realimentación reduce significativamente las variaciones de la variable controlada. Este tipo de sistema, figura F-17, se denomina sistema de control de lazo cerrado. Este puede mantener la variable controlada casi constante sobre un rango dado de cargas o perturbaciones:

+

Tanque 2(proceso)Válvula

(elemento final)

Page 18: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Disturbio

Set point Sal idadelControlador

Variable

manipulada+¿ Variablecontrolada

¿

+

-

Figura F-17: Diagrama de bloques de un sistema de control de procesos de lazo cerrado.

El lazo de realimentación contiene un elemento sensible que mide el valor actual de la variable controlada y genera una señal proporcional que se envía al controlador. El controlador determina el error entre el punto de referencia (Set Point) y la variable medida y corrige cualquier diferencia entre los dos, reajustando el elemento de control hasta alcanzar un estado de equilibrio. Los errores ocurren cuando se cambia el punto de referencia (Set Point) o cuando las perturbaciones o de las cargas modifican la variable controlada.

Existen varios tipos de controlador: proporcional, integral, derivativo, o una combinación de cualquiera de estos.

La figura F-18 muestra el control de lazo cerrado de la temperatura en el tanque 2 del equipo.

f 1

Tset SalidadelControlador

f 3+¿

Variable medida

+

Elemento final

Controlador ProcesoElemento

final

Temperatura

Elemento final

+

Controlador ProcesoElemento

final

T

+-

Page 19: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Figura F-18: Control de lazo cerrado del proceso de Temperatura en el tanque 2

El lazo de realimentación consta de un transmisor de temperatura que mide la temperatura actual del tanque 2 y genera una alimentación proporcional, la cual se realimenta al controlador.

El controlador compara la temperatura de realimentación con la temperatura de referencia (Set Point) y corrige cualquier diferencia entre los dos modificando el porcentaje de la posición de la válvula hasta que se alcance un estado de equilibrio.

Procedimiento

Parte I: Control de lazo abierto del proceso de Temperatura.

Para realizar el control del proceso de Temperatura en lazo abierto, es necesario emplear una simulación del proceso por medio de un software computacional (SimuLink), introduciendo todas las funciones de transferencia del proceso, las cuales se obtienen a partir de los balances posibles del proceso, seguidamente se realizará la simulación y se observará el comportamiento del lazo al aplicar una perturbación. Observe lo que sucede y registre el valor de estabilidad.

Balance en el Tanque 2

dEdt

=miCpiT i+UA [T s ( t )−T ( t ) ]−moCpoT o (t )

Balance en la pared del tubo

dEdt

=h3−UA∆T

Balance en el fluido a través del serpentín

dEdt

=m3Cp3T 3−m4Cp4T 4−hconv A [T f ( t )−T s(t)]

Page 20: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Parte II: Control de lazo cerrado del proceso de Temperatura.

Para desarrollar el control de lazo cerrado del proceso debe emplear el equipo dinámico de control de temperatura, el cual procederá de la siguiente manera para la buena operación:

1. se llenan los tanques (TK1 y TK2) hasta el nivel deseado, los vidrio niveles nos permite visualizar externamente los correspondientes niveles.

2. Se verifica que el equipo de control automático de temperatura este correctamente energizado.

3. Se abre manualmente la válvula de bola, garantizando la recirculación entre la bomba y el tanque 1.

4. Se enciende la bomba, para purgar el sistema.5. Se enciende el primer lazo (resistencia en un set point de 80°C controlada por el

termostato), con el fin de calentar el agua contenida en el tanque 1.6. Cuando se alcanza una temperatura de 50°C en el tanque 1, se enciende el lazo 2 (válvula,

controlador, termocupla, transductor y tanque 2).7. Se calibra el transductor con un compresor, hasta que el manómetro 1 llega a una presión

de 30 psi en la cual la válvula se encuentra completamente abierta.8. La apertura de la válvula es mostrada en el manómetro 2.9. Posteriormente, se tabulan los datos de temperatura vs tiempo, cada 5 minutos.10. Se grafican los datos obtenidos en el ítem anterior, obteniendo la curva de reacción.

Page 21: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Conclusiones

A partir de los resultados obtenidos:

Parte I:

¿Qué le ocurre a la temperatura del tanque 2 después de la perturbación? ¿Por qué?

¿Fue posible restablecer el valor de la tendencia al valor de referencia (Set Point) después de la perturbación?

Parte II:

¿Qué le ocurre a la señal de salida del controlador y del transmisor de temperatura al aumentar el Set Point un 20%?

Comente lo observado después de producir la perturbación.

Page 22: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

OBTENCIÓN DEL MODELO DE PRIMER ORDEN MÁS TIEMPO MUERTO DEL PROCESO DE TEMPERATURA

Objetivos

Obtener la curva de reacción a lazo cerrado para el proceso de temperatura Determinar el tiempo muerto, la constante de tiempo y la ganancia a partir de las curvas

de reacción al cambio escalón en el proceso de temperatura.

Equipo

Equipo dinámico de control de temperatura. Cronometro.

Descripción

Características dinámicas

Las características dinámicas describen que tan rápidamente reacciona el instrumento a un cambio repentino en la variable medida. Las características dinámicas incluyen el tiempo muerto, el tiempo de levantamiento, la constante de tiempo y el tiempo de asentamiento.

El tiempo muerto es el intervalo de tiempo entre el momento que ocurre el cambio de escalón y el instante en el cual la tensión del instrumento comienza a cambiar.

El tiempo de levantamiento es el tiempo necesario para que la tensión del instrumento pase del 10% al 90% de su valor de estado estable.

La constante de tiempo es el tiempo que toma la tensión del instrumento en alcanzar el 63,2% del valor de estado estable, después de un cambio de escalón de la variable medida. La tensión alcanza el valor de asentamiento (estado estable) aproximadamente después de cinco constantes de tiempo.

El tiempo de asentamiento es el tiempo que toma la tensión del instrumento para estar dentro de cierto rango (banda porcentual) del valor de estado estable.

Es importante que la constante de tiempo del instrumento sea menor que la del proceso para que el controlador responda adecuadamente a los cambios en la variable controlada del proceso. Si se utiliza un instrumento con constante de tiempo grande en un proceso rápido, hay una gran posibilidad de que la curva de reacción del proceso sea la del instrumento, teniendo como resultado un control inadecuado del proceso. En general, el instrumento debe ser capaz de detectar cualquier cambio en la variable controlada en menor tiempo que el equivalente de una constante de tiempo del proceso.

Page 23: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Sistemas de control en lazo cerrado

En los sistemas de control de lazo abierto, la variable controlada o variable de salida no tiene influencia sobre la acción llevada a cabo por el dispositivo de control, por lo que no existe realimentación.

En este experimento se utilizará un sistema de control de temperatura de lazo abierto. Se obtendrá la curva de reacción del proceso, a partir de la cual se utilizarán varios métodos de identificación para hallar modelos de la planta. El sistema de control de temperatura cuenta con una gran cantidad de perturbaciones. Dentro de las que son de interés de estudio, encontramos al flujo de entrada. Se observará la respuesta del sistema de lazo abierto ante un cambio de una de ésta perturbación.

A partir de la curva de reacción es posible hallar un modelo de la planta mediante un método de identificación. El modelo de primer orden más tiempo muerto es:

GP(s)=K e−t 0S

τS+1

El método de la tangente Ziegler-Nichols se basa en el trazo de una recta sobre la curva de reacción tangente al punto de máxima pendiente, como se muestra en la siguiente figura F-19.

Figura F-19.

Fit 1. Este método utiliza la línea que es tangente a la curva de reacción del proceso en el punto máximo de razón de cambio.

Fit 2. Este método utiliza el tiempo hallado por Fit 1, y le agrega un segundo tiempo que se halla a partir de una respectiva ecuación.

Fit 3. Este método (Figura F-20) utiliza el tiempo hallado por Fit 1, y Fit 2, y le agrega un tercer tiempo que se halla a partir de una respectiva ecuación.

Page 24: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Figura F-20

Procedimiento

Curva de reacción de un proceso de temperatura.

El procedimiento a realizar es el detallado a continuación.

11. se llenan los tanques (TK1 y TK2) hasta el nivel deseado, los vidrio niveles nos permite visualizar externamente los correspondientes niveles.

12. Se verifica que el equipo de control automático de temperatura este correctamente energizado.

13. Se abre manualmente la válvula de bola, garantizando la recirculación entre la bomba y el tanque 1.

14. Se enciende la bomba, para purgar el sistema.15. Se enciende el primer lazo (resistencia en un set point de 80°C controlada por el

termostato), con el fin de calentar el agua contenida en el tanque 1.16. Cuando se alcanza una temperatura de 50°C en el tanque 1, se enciende el lazo 2 (válvula,

controlador, termocupla, transductor y tanque 2).17. Se calibra el transductor con un compresor, hasta que el manómetro 1 llega a una presión

de 30 psi en la cual la válvula se encuentra completamente abierta.18. La apertura de la válvula es mostrada en el manómetro 2.19. Posteriormente, se tabulan los datos de temperatura vs tiempo, cada 5 minutos.20. Se grafican los datos obtenidos en el ítem anterior, obteniendo la curva de reacción.

Experimentación y resultados

Graficas

Presente los resultados obtenidos en las curvas de reacción en tablas debidamente identificadas.

Page 25: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Resultados

Curva de reacción. Utilice el método de identificación de modelos de primer orden más tiempo muerto de la tangente de Ziegler & Nichols y los métodos Fit para determinar los parámetros del modelo del lazo cerrado. Derive otro método de Fit (Fit 4) y determine los parámetros empleando el método.

Conclusiones

A partir de los resultados obtenidos:

¿Es la constante de tiempo del proceso de temperatura mucho mayor que la el sensor de temperatura?

Comente lo observado y concluya que método fue más eficiente.

Page 26: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

CONTROL PROPORCIONAL E INTEGRAL DE UN PROCESO DE TEMPERATURA

Objetivos

Describir el modo de control integral Observar y describir las ventajas y desventajas del control integral Describir el modo de control proporcional más integral Definir los términos de ganancia integral, tiempo integral, sobrepaso y oscilación Describir como el cambio en el tiempo integral afecta la variable controlada cuando se

utiliza el control proporcional más integral

Equipo

Equipo dinámico de control de temperatura. Cronometro.

Descripción

Se ha visto que el control proporcional observa el valor presente del error del proceso. El modo integral del controlador considera en cambio, la historia del error, integrando el error continuamente hasta que desaparezca. Es así como el error en el valor deseado se llega a erradicar completamente. Esto dentro de las condiciones y limitaciones físicas del sistema de control.

El detector de error resta la variable medida al valor deseado y produce de esta manera el error. La sección directa/inversa multiplica el error por 1 o -1 dependiendo de la acción de control seleccionada. El bloque de modo integral integra el error para producir la salida del controlador.

En el controlador de PI se combina la característica instantánea del modo proporcional con la característica integral que elimina el error permanente lo que da un sistema de control mucho más eficiente. En la siguiente figura se muestra un diagrama del controlador PI. En la figura que se muestra a continuación se aprecia el efecto del control PI sobre un sistema comparado con el control P y el control I separadamente. Se debe tener en cuenta la observación de que el tiempo integral no sea demasiado pequeño con el fin de que no cause un sobrepaso muy grande en la variable controlada y se produzca algún tipo de daño en el sistema.

Page 27: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Figura F-21. Respuesta al cambio del escalón en un punto de referencia con el control proporcional, integral y proporcional más integral.

Procedimiento

Curva de reacción de un proceso de temperatura.

El procedimiento a realizar es el detallado a continuación.

21. se llenan los tanques (TK1 y TK2) hasta el nivel deseado, los vidrio niveles nos permite visualizar externamente los correspondientes niveles.

22. Se verifica que el equipo de control automático de temperatura este correctamente energizado.

23. Se abre manualmente la válvula de bola, garantizando la recirculación entre la bomba y el tanque 1.

24. Se enciende la bomba, para purgar el sistema.25. Se enciende el primer lazo (resistencia en un set point de 80°C controlada por el

termostato), con el fin de calentar el agua contenida en el tanque 1.26. Cuando se alcanza una temperatura de 50°C en el tanque 1, se enciende el lazo 2 (válvula,

controlador, termocupla, transductor y tanque 2).27. Se calibra el transductor con un compresor, hasta que el manómetro 1 llega a una presión

de 30 psi en la cual la válvula se encuentra completamente abierta.28. La apertura de la válvula es mostrada en el manómetro 2.29. Posteriormente, se tabulan los datos de temperatura vs tiempo, cada 5 minutos.30. Se grafican los datos obtenidos en el ítem anterior, obteniendo la curva de reacción.

De acuerdo a los balances efectuados, realice por medio de una simulación (Simulink) el control del proceso de temperatura, ajustando el tipo de controlador como P.

Balance en el Tanque 2

dEdt

=miCpiT i+UA [T s (t )−T ( t ) ]−moCpoT o (t )

Page 28: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Balance en la pared del tubo

dEdt

=m3CP [T 3 (t )−T 4 (t ) ]−UA [T s (t )−T ( t ) ]

Balance en el fluido a través del serpentín

dEdt

=m3Cp3T 3−m4Cp4T 4−hconv A [T f ( t )−T s(t)]

Figura F-22.

Experimentación y resultados

Graficas

Presente los resultados obtenidos en las curvas de reacción en tablas debidamente identificadas.

Page 29: Manual de Operación Del Equipo de Control Automatico de Temperatura (1)

Conclusiones

A partir de los resultados obtenidos:

1. ¿En qué condiciones de operación del controlador el tiempo de estabilización fue menor?

2. Comente para cada una de las partes (P y PI).

3. Según la configuración del controlador (P o PI), ¿Cuándo se eliminó el error permanente, cual fue la causa y por qué? Explique.

4. ¿Cuál es el efecto de la disminución del tiempo integral sobre los sobrepasos, sobre el tiempo de eliminación del error y sobre la estabilidad del sistema?

5. ¿Cuál es el efecto de disminuir el valor del ajuste de la banda proporcional (K) sobre la estabilidad del sistema, sobre el tiempo de eliminación del error y sobre los sobrepasos?

6. ¿Qué se entiende por tiempo integral o ganancia integral y como afecta su ajuste al controlador y al sistema?

7. ¿Qué ventaja o desventaja presenta el control integral? Explique.