manual de usuario módulo caudal

Manual de Usuario- Variable Caudal

Tecnología en Mantenimiento Electrónico e Instrumental Industrial 600171

Regional Caldas Centro de Automatización Industrial

Tecnología en Mantenimiento Electrónico e Instrumental Industrial

LABORATORIO DE INSTRUMENTACION Y CONTROL Variable Caudal

Manual de Usuario



INDICE

1. Introducción 1

2. Instalación 2

2.1. Características generales………………………………………………….

2.2. Conexiones y puesta en servicio …………………………………………

3. Descripción de la aplicación 3

4. Tablero de Indicación y puesta en marcha de la variable 4

5. Características técnicas 5

5.1 Esquema eléctrico de alimentación módulo caudal general…………….

5.2 Circuito de potencia bomba trifásica…………………………………………

5.3 Circuito de potencia bomba monofásica……………………………………..

5.4 Circuito de control módulos caudal-nivel…………………………………….

5.5 Tarjetas electrónicas utilizadas en el módulo de caudal………………….

5.6 Sistema de fallas………………………………………………………………

5.7 Programa para medir la velocidad de las motobombas………………….



1. INTRODUCCION

El proyecto a realizar es un laboratorio de instrumentación y control de

procesos industriales, con el cual se pueda dar facilidad a empresas,

profesionales y estudiantes para adquirir conocimientos en el control de

procesos y las variables que se manejan en éstos, como la temperatura,

presión, pH entre otros; colocando a su disposición tecnología moderna.

Por otra parte, es necesario realizar un manual para que las personas que

vayan a realizar las prácticas, interactúen con el módulo entrenador.

Además, existen en Latinoamérica y Colombia laboratorios de este tipo los

cuales son funcionales y ayudan a los diferentes aprendices a fortaleces sus

conocimientos en Instrumentación y Control de procesos industriales.



2. INSTALACIÓN

2.1 Características generales.

1. El módulo entrenador de caudal consta básicamente de los

siguientes elementos:

Bastidor.

Instalación de motobomba trifásica y monofásica.

Red de suministro eléctrico y circuitos de alimentación para

los dispositivos de control y de potencia del proceso.

Tablero eléctrico para el suministro y control de los

dispositivos del módulo entrenador.



Fuente de voltaje para energizar los circuitos electrónicos del

entrenador.

Tarjeta electrónica para generar fallas y perturbaciones al

proceso de control.

Tarjeta electrónica para circuito de protección de

motobombas. Circuito de enclavamiento para los

entrenadores de caudal y nivel.

Sensor de caudal electromagnético.



Transmisor electrónico para el sensor.

Sistema de comunicación PC – Proceso.

2. Revisar cada una de las tarjetas referenciadas a continuación,

revisar todos sus elementos como resistencias, integrados entre

otros buscando que no existan daños visibles.

Tarjeta de Perturbaciones.

Fuente de alimentación.

Tarjeta del Microcontrolador.

Transmisor (0-10) / (0-5) Voltios.

3. Verificar que existan todos los elementos de la parte eléctrica para

protección y funcionamiento del modulo; tales como:

Totalizador.

Contactor de alimentación general.

Contactores Motobombas.

Relé térmico de protección.

Guardamotor.

Variador de velocidad.

Pulsadores de paro y arranque.



4. Revisar el estado de la válvula de control proporcional para

asegurarse de que no halla fugas o estancamientos; así como la

tubería que transporta el fluido de agua en el proceso.

5. Revisar conexiones neumáticas en la unidad de mantenimiento, la

válvula de control proporcional y convertidor I/P; así como verificar la

presión registrada en el manómetro de la unidad de mantenimiento

(no debe ser mayor a 20 psi).

2.2 Conexiones y Puesta en Servicio.

1. Revisar el estado general de los elementos de la instalación.

2. Verificar la conexión de todos los elementos eléctricos.

3. Colocar el interruptor del totalizador en ON.

4. Oprimir el pulsador de inicio para iniciar el trabajo práctico en el

módulo.

5. Elegir el lazo de control con el que se realizará la práctica según

elemento final de control (variador de velocidad o válvula de control

proporcional).

6. Comenzar con la aplicación de Caudal.



7. Observar estado de los visualizadores para verificar el correcto

funcionamiento del sistema.

3. DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓN.

Los elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulación son los siguientes: Transductor: Formado por el elemento primario (sensor) y el elemento secundario (transmisor). Es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida. Sensor: Convierte una variable física (presión, temperatura, caudal) en otra señal compatible con el sistema de medida o control. La medida que realiza es en baja potencia porque no puede perturbar el proceso. Medición inductiva del caudal: Para medir el caudal se aprovecha la fuerza que actúa sobre cargas eléctricas en movimiento “Q” en un campo magnético. La densidad del flujo magnético” depende del imán montado exteriormente. Las cargas “Q” constan de iones a causa de la disociación (desintegración de moléculas) en líquidos. Esta disociación genera una tensión eléctrica. Esta se mide mediante dos electrodos diametralmente opuestos (fig. 5-8). El medio por medir fluye a través de un tubo con recubrimiento aislante. El convertidor de valores medidos separa la señal útil de las señales que interfieren.

Caudalímetro magneto-inductivo 1 Electrodo 2 Tubo con recubrimiento aislante 3 Flujo del medio por medir 4 Electroimán B Inducción magnética v Velocidad del flujo. La tensión es proporcional a la velocidad media del flujo. Para reducir los errores a un mínimo, es recomendable prever una zona de atenuación de turbulencias entre 3 y 5 veces mas larga que el diámetro del tubo. Esta



recomendación también es valida si delante de la zona de medición existen elementos que provocan un fuerte cambio de la sección de los tubos o si los tubos están acodados. El tamaño recomendado de la zona de eliminación de turbulencias es válido para la mayoría de los caudalímetros, ya que únicamente se obtiene un valor de medición valido en caudales no turbulentos (laminares). Sensor de caudal electromagnético:

Transmisor: Son aquellos instrumentos que captan la variable de proceso, generalmente puede ser a través de un elemento primario, y la transmiten a distancia en forma de señal neumática (3-15 psi), electrónica (4-20 mA), pulsos, protocolarizada (hart) o bus de campo (Fieldbus Foundation, Profibus, etc.). Estos instrumentos dan una señal continua de la variable de proceso. Dentro de los transmisores los hay ciegos (sin indicador local) y con indicador local incorporado. Este es el que requiere de calibración. Las señales estándar por lo general están dentro de los rangos siguientes: 4-20mA; -10 a +10V; 0-10V; 3-15psi. Indicadores locales: Son aquellos instrumentos que captan la variable de proceso y la muestran en una escala visible localmente. Los indicadores locales más utilizados son los manómetros (presión), termómetros (temperatura), rotámetros (caudal), etc. Normalmente estos instrumentos no llevan electrónica asociada, aunque también se consideran indicadores locales a los indicadores electrónicos conectados a los transmisores. Estos últimos pueden ser analógicos o digitales.



Para el módulo de caudal el elemento indicador es un rotámetro. El instrumento de área variable por excelencia es el rotámetro, el cuál consta básicamente de un tubo vertical troncocónico, de cristal o con armadura metálica, en cuyo interior se encuentra un flotador. El fluido entra por la parte inferior del tubo, arrastrando el flotador en dirección ascendente. Al ascender el flotador va dejando libre un área en forma anular hasta que la fuerza producida por la presión diferencial en las caras superior e inferior del flotador se equilibra. Es por lo tanto un sistema basado en equilibrio de fuerzas. La posición de equilibrio alcanzada por el flotador dentro del tubo es una indicación directa del caudal de paso, marcado sobre el propio tubo o armadura. Esta técnica de medición se utiliza para bajos caudales y fluidos limpios. Las precisiones para este tipo de instrumentos vienen a ser del +/- 2%, por lo que no son aconsejables cuando se requieren altas precisiones, tiene alguna limitación en cuanto a instalación (montaje vertical), y habitualmente son utilizados para medidas locales. Por otra parte, son instrumentos baratos, simples, aptos para caudales pequeños y la lectura de caudal es lineal. Controlador: Instrumento o función de software que compara la variable controlada con un valor deseado y ejerce automáticamente una acción de corrección de acuerdo con la desviación. “Es el cerebro del proceso”. Pueden ser digitales, analógicos o neumáticos.

PLC (Controlador Lógico Programable): Es el elemento que nos va a controlar el sistema de acuerdo a una programación pre-establecida; la importancia de este elemento radica en que el proceso se pueda ejecutar de forma automática, ya que este dispositivo con una serie de señales de entrada, puede controlar actuadores mediante una serie de señales de salida para que el sistema trabaje con los parámetros establecidos.

LabVIEW - Tarjeta de adquisición de datos: El dispositivo de adquisición de datos o DAQ USB-6009 es un dispositivo de bajo costo ideal para crear mediciones de entradas análogas y con funcionalidad para generar niveles de voltaje de salida, un contador y dos puertos con 8 líneas de entradas y salidas digitales. Esta funcionalidad se puede realizar simultáneamente para solucionar aplicaciones que van desde



registradores de datos, adquisición analógica con alarmas, conteo de eventos, hasta control de lazo cerrado. Al usar LabVIEW desarrollar este tipo de aplicaciones es sencillo y además permite la flexibilidad de expandir la funcionalidad.

Elemento final de control: Recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. La válvula de control es el elemento final típico, pero también lo puede ser un motor, resistencias eléctricas, actuadores neumáticos, quemadores entre otros. En palabras básicas es el que realiza la acción.

Variador de velocidad: Los variadores de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten variar la velocidad y el par de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Para el módulo entrenador de caudal utilizaremos un variador de frecuencia ajustable de CA marca Allen-Bradley el cual será elemento final de control de un lazo junto con la motobomba trifásica, para el control de flujo.

Válvula de control proporcional: Elemento final de control, a través del cual, un fluido pasa, que ajusta la magnitud del flujo de dicho mediante cambios en el tamaño de su abertura y de acuerdo con la señal que recibe del controlador, y así lograr la acción correctiva necesaria .La válvula de control está siempre modulando energía y es pieza clave que puede minimizar la eficacia de un sistema de control sofisticado y caro. Es por esto la necesidad de elevar el nivel de exigencia en los criterios



de selección de las válvulas de control para lo que se requiere una mayor formación y conocimiento de su tecnología, que también ha evolucionado en los últimos años como consecuencia de un mayor conocimiento de los fenómenos físicos que tienen lugar en plantas donde se trabaja a altas presiones y temperaturas, los nuevos materiales disponibles y la mejora en los sistemas de cálculo.

Control en Lazo Cerrado (feedback): La variable controlada se mide constantemente y se compara con el valor de referencia. Si se produce desviación entre ambos valores se aplica una acción correctora al elemento final de control para retornar la variable controlada al valor deseado. Equivale a mantener el controlador en modo automático.



Punto de Consigna: Variable de entrada en el controlador que fija el valor deseado de la variable controlada. Puede fijarse manual o automáticamente, o bien programarse. Variable Controlada: Dentro del bucle de control es la variable que se capta a través del transmisor y que origina una señal de realimentación. Variable Manipulada: Cantidad o condición del proceso variada por el elemento o elementos finales de control.



4. TABLERO DE INDICACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE LA VARIABLE



Este tablero consta de los siguientes elementos Indicador de caudal

Indica la cantidad de caudal que hay en el proceso al realizar la medida. Velocidad de motobomba

Indica la velocidad en rpm de la motobomba cuando esta este proporcionando agua al sistema. Esta medición se hace por medio de un tacómetro (ver anexos).

Fallas del sistema

El sistema presenta 10 fallas representados en 10 leds, cuando una de las fallas este presente el correspondiente led se enciende y en el momento en que se corrija el led se apaga.



Pulsador START

En el momento en el que se pulse este botón el sistema se energiza y esta listo para funcionar.

Pulsador STOP

En el momento en el que se pulse este botón el sistema se desenergiza y sale de funcionamiento.

Selector Válvula o Variador

Para la medición de caudal el sistema cuenta con dos métodos por variador de velocidad o por válvula proporcional, de acuerdo a la práctica a realizar por medio de este interruptor seleccionamos.



Alimentación

Cuando el sistema se energiza estos led se encienden para indicar cuando las fuentes de voltaje funcionan correctamente.

Tablero eléctrico

El tablero eléctrico tiene la función de energizar el proceso, en este se

encuentran instalados los elementos de protección, los contactores de

arranque y alimentación de las motobombas, así como, las fuentes de

corriente continua y las tarjetas electrónicas necesarias para el funcionamiento

del proceso de caudal.



Tablero de control del sistema

En este tablero se encuentran las borneras para realizar las diferentes

conexiones de acuerdo con las practicas a ejecutar, ya sea por medio de

variador de velocidad o válvula proporcional, también encontramos las

conexiones del PLC y la tarjeta de adquisición de datos cuando se vayan a

utilizar para el control del caudal.



5. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

5.1 Esquema eléctrico de alimentación módulo caudal general.

El anterior es un esquema básico de alimentación del modulo de caudal.

Los elementos o circuitos que energizan las salidas de alimentación de las

fuentes de corriente continua, implementan unas tarjetas electrónicas que nos

permitirán realizar la interconexión con el sistema de control de las

Motobombas, PLC, comunicaciones serial; así como hacer simulación y

programación de fallas (perturbaciones).

La alimentación eléctrica de los módulos Caudal y Nivel es muy similar, se

debe implementar una tarjeta electrónica que permita hacer el enclavamiento

de seguridad para la utilización de las motobombas en los procesos de control

al momento de realizar las prácticas. Esto porque cada módulo sólo debe



trabajar con una de las dos motobombas por proceso. Las prácticas de control

se realizan por válvula de control y bomba monofásica o por variador de

velocidad y bomba trifásica.

5.2 Circuito de potencia bomba trifásica.

En este circuito observamos:

Totalizador ubicado en las líneas de alimentación que deshabilita el

sistema en caso de falla sea por cortocircuito o sobrecarga eléctrica.

Los guardamotores respectivos (protección magnetotérmica) para

proteger el motor trifásico de la motobomba.



Contactor de arranque del módulo de caudal

Contactor de alimentación motor trifásico de la bomba.

Variador de velocidad y motor trifásico (motobomba).

5.3 Circuito de potencia bomba monofásica.

Cuando se energice el módulo de caudal a través del contactor de arranque, se

deriva voltaje hacia el contactor de alimentación de la bomba monofásica así

como al motor protegido por su correspondiente relé térmico.

Cada operario del módulo puede seleccionar el funcionamiento de la bomba

monofásica y variador de velocidad, pero no ambos a la vez; al seleccionar el

trabajo de control del caudal o nivel utilizando la bomba monofásica,

automáticamente se desactiva la posibilidad de energizar la bomba trifásica del

mismo módulo y también se deshabilita la posibilidad de activar la bomba



monofásica en el módulo opuesto. El circuito de enclavamiento del módulo de

la variable Caudal deshabilita la alimentación del mismo circuito en el módulo

de nivel y viceversa.

5.4 Circuito de control módulos caudal-nivel.



PAC: Pulsador arranque caudal.

PPC: Pulsador de paro caudal.

CAC: Contactor de arranque caudal.

PBMC: Pulsador bomba monofásica caudal.

PBTC: Pulsador bomba trifásica caudal.

CBM: Contactor bomba monofásica caudal.

CBT: Contactor bomba trifásica caudal.

CK1….CK4: Relés auxiliares de control caudal con sus respectivos.

NK5…NK8: Relés auxiliares de control nivel con sus respectivos contactos.

PAF: Pulsador de arranque módulo caudal.

PPF: Pulsador de paro módulo caudal.

KAF: Contactor de arranque módulo caudal.

PVaF: Interruptor control por válvula módulo caudal.

PVF: Interruptor control por variador módulo caudal.

CVaF: Contactor válvula de control módulo caudal.

Con su contacto normalmente abierto CVaF.

CVF: Contactor variador módulo caudal.

Con su contacto normalmente abierto CVF.

(K1, K2, K3, K4)F: Relés auxiliares con sus respectivos contactos

normalmente cerrados.

Mediante los circuitos de control y de potencia podemos realizar el mando y

maniobra de los módulos de caudal y de nivel del laboratorio de

instrumentación. Por medio del circuito de control activamos los módulos y los

respectivos enclavamientos necesarios para la seguridad del personal y de las

instalaciones del laboratorio.

A continuación puede verse el plano del circuito de control para el variador de

velocidad y la válvula de control proporcional.



Como se explico anteriormente gracias a los enclavamientos, se tendrá la

opción desactivar la alimentación de los circuitos de potencia de las

motobombas para deshabilitar el funcionamiento del proceso de control sea



por variador de velocidad o por válvula de control proporcional en los módulos

de caudal y de nivel.

Si activamos el proceso por válvula de control proporcional (motobomba

monofásica) en el módulo de caudal, automáticamente quedará inhabilitado el

control por variador de velocidad en este módulo y en el modulo de nivel se

inhabilitará el circuito para la bomba monofásica, sólo se podrá trabajar con el

variador de velocidad.

5.5 Tarjetas electrónicas utilizadas en el módulo de caudal:

Tarjeta básica microcontrolador para fallas.

Transmisor V/V. Entrada (0-10) V.

Salida (0-5) V.



Transmisor I/V. Entrada (4-20) mA.

Salida (0-5) V.

Tarjeta DAC (conversor digital – análogo).

Tarjeta para comunicación RS-232.



Tarjeta microcontrolador. Integra entradas análogas, entradas digitales a 24V, salida análoga a través de conversor digital análogo, salidas digitales a 24V y posibilidad de comunicación serial mediante tarjeta externa.

Interfaz con el computador.



5.6 Sistema de fallas.

Es un sistema a través del cual puedo introducir fallas en el proceso por medio

de la consola. Ésta es independiente del PLC y/u otro controlador utilizado en

el proceso, requiere una programación específica.

El objetivo del sistema es intentar reproducir en el aula averías con las cuales los aprendices se enfrenten al hacer diario; lo que será muy útil para realizar buenos diagnósticos y ser más eficientes a la hora de hacer la respectiva reparación.

Tarjeta de fallas.

Comunicación con el pc.



Programa en Visual Basic donde el aprendiz interactuara con el proceso.

Después de que se inicia la aplicación en Visual Basic, al elegir Sub Menu Instructor el programa nos muestra el pantallazo de la imagen anterior, para que el instructor introduzca la clave de acceso.

Una vez que la clave correcta es introducida y se da click en aceptar, el programa muestra el siguiente menú con el cual el instructor puede generar las fallas al módulo entrenador de caudal. Después de que se eligen las fallas respectivas, el instructor sólo debe dar click en regresar, para que el aprendiz pueda ingresar a su menú. Así volvemos al menú inicial. Ver la gráfica siguiente.



Elegir este.



En este pantallazo, los aprendices pueden observar las fallas generadas y comenzar a corregirlas eligiendo las opciones de los combo-box.

Cuando se elige la respuesta correcta el shape indicador cambia de color, en caso contrario el sistema comienza a restar puntos.



5.7 Programa para medir la velocidad de las motobombas. En el siguiente anexo se quiere mostrar el programa realizado para medir la

velocidad de las motobombas que se utilizan en el entrenador de caudal y

nivel. Para diseñar este tacómetro necesitamos realizar un programa para el

pic 16F877A y se utilizará un LCD para mostrar el resultado en pantalla. El

programa se realizo en assembler porque este lenguaje maneja una mayor

precisión y hace parte del programa de aprendizaje en el programa de

electrónica (microcontroladores). Se realizo la simulación respectiva mediante

proteus para probar su funcionamiento; en el montaje físico se utilizo un

generador de señales para mandar pulsos de onda cuadrada al pic 16F877A;

así como también se utilizo un circuito con led transmisor y receptor para

mandar los pulsos a la entrada del microcontrolador, y así realizar la prueba

real, obteniendo resultados satisfactorios.

Antes de comenzar con el programa se muestra una introducción al lenguaje

assembler o ensamblador, con el cual se programó el microcontrolador.

Programa para microcontrolador pic 16F877A: El ensamblador que

utiliza MPLAB por defecto y el que utilizaremos para programar los PIC es MPASM.

Los elementos básicos del lenguaje ensamblador son:

Etiquetas

Instrucciones

Operandos

Directivas

Comentarios

Para la programación se utiliza una cierta tabulación que se debe respetar,

además utilizar una tabulación adecuada hace los programas más claros y

legibles. Las etiquetas se escriben en la primera columna de cualquier línea,

las instrucciones y directivas en la segunda y por último, en la tercera columna,

los operandos. Los comentarios se pueden escribir en cualquier parte del

programa.



Etiquetas: Una etiqueta es una palabra utilizada para designar alguna línea o

sección del programa, se pueden utilizar para saltar de una parte hacia esa

etiqueta. Es importante que las etiquetas empiecen con una letra o con un

guión bajo “_”. La longitud de una etiqueta puede ser de hasta 32 caracteres y

como ya se dijo se deben escribir en la primer columna.

Instrucciones: Las instrucciones son las operaciones que realiza el

microcontrolador, así que estas ya están definidas para cada familia de PIC. El

16F628a así como todos los PICs de gama media utiliza un conjunto de 35

instrucciones que están definidas en la hoja de datos del PIC.

Operandos: Son los elementos que emplea la instrucción que se está

ejecutando. Usualmente los operandos son los registros, las variables o las

constantes.

Directivas: Las directivas son similares a las instrucciones, pero a diferencia

de estas las directivas son propias del lenguaje ensamblador e independientes

del microcontrolador que se utilice. Las directivas representan algunas

características del lenguaje ensamblador, se utilizan para especificar el

procesador empleado así como la configuración de este, también para asignar

locaciones de memoria, entre otras cosas.

Comentarios: Los comentarios son las palabras, frases y oraciones que se

pueden escribir en el código para hacer el programa más claro y legible, o solo

para recordar el momento =P. Los comentarios se pueden escribir en cualquier

parte del código pero siempre deben empezar con punto y coma ”;”.

A continuación se muestra el programa del pic 16F877A y posteriormente los pantallazos de la simulación y una introducción al programa PROTEUS.



Ahora los pantallazos de la simulación:

La simulación se realizó en el programa PROTEUS.

PROTEUS es una aplicación CAD, compuesta de tres módulos:

ISIS (Intelligent Schematic Input System): Es el módulo de captura de

esquemas.

VSM (Virtual System Modelling): es el módulode simulación, incluyendo

PROSPICE.

ARES (Advanced Routing Modelling): es el módulo para la realización

de circuitos impresos (PCB).



El módulo ISIS es un programa que nos permite dibujar, sobre un área de

trabajo, un circuito que posteriormente podremos simular.

En la manipulación del software casi siempre existirán varias opciones para un

mismo fin. Normalmente podremos optar por seguir un menú, acceder a un

icono o trabajar con el teclado. Aquí concederemos preferencia a la opción más

rápida y más cómoda, que suele ser casi siempre el olvidado teclado.

Variando el valor de entrada al microcontrolador:



Este documento es de carácter educativo, las imágenes y contenido del

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trabajos propios, por lo cual no violan derechos de autor.

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