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Electricidad y Electrónica

Evaluación Sumativa 2 Programación de controladores industriales

Asignatura: Control de procesos automatizados. Sección: 704 Nombre del docente:  docente: Felipe Muñoz M.  M.  Nombre de los integrantes del grupo: grupo: Brian Alarcón F. Juan Olivares H. Bastián Rojas R. Felipe Salazar H. Fecha de entrega: 6 de enero 2021

 

 

Índice Contenido 1.

Introducción. ..................................................................................................... ............................................... ............................................................................... ......................... 3

2.

Objetivos. .................................................... .......................................................................................................... ............................................................................... ......................... 4

3.

Marco Teórico. ................................................................................................. ............................................. ............................................................................... ........................... 5 3.1. Red Lion IAMS......................................................................................................... .................................................... ...................................................................... ................. 5 3.2. Relé ......................................................................................................................................... 6 3.3. Termocupla: .............................................. .................................................................................................... ............................................................................... ......................... 6 3.4. PLC Delta SX2 ........................................................................................................................... 8 3.5. Control PID (método de Ziegler-Nichols): .................................................................................. ................................................ .................................. 9 3.6. Escalamiento de señales analógicas: ....................................................................................... .............................................. ......................................... 10

4.

Desarrollo. ......................................................................................................... ................................................... ............................................................................. ....................... 12 4.1.

Escalamiento de señales. ................................................................................................... ................................................. .................................................. 13

4.2.

Configuración En ISPSoft. ................................................................................................... ................................................. .................................................. 14

4.2.1.

Descripción del diagrama............................................................................................ diagrama............................................................................... ............. 15

4.3.

Método de Ziegler Nichols ................................................................................................. ............................................... .................................................. 16

4.4.

Posible Solución. ......................................................................................................... ..................................................... .......................................................... ...... 17

5.

Conclusión. .................................................. ........................................................................................................ ............................................................................. ....................... 18

6.

Referencias bibliográficas .................................................................................................... ................................................ .......................................................... ...... 19

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1 Introducción En este informe primero que todo se dará a conocer todos los instrumentos que utilizaremos para la siguiente problemática presentada por el docente para un mejor entendimiento, mediante un marco teórico, al igual se busca verificar el comportamiento de un controlador y las variables en un sistema automatizado mediante gráficas, cálculos matemáticos y la ayuda de programas tales como IspSoft y Scilab. También junto con lo anterior se buscará una implementación de un control PID para la planta del proceso presentado, prosiguiendo con breves desarrollos de los cálculos necesarios para indicar el escalamiento de las señales involucradas en este pequeño sistema automatizado. Finalmente, ya realizado lo anteriormente mencionado, se procederá a buscar o dar a conocer algunos arreglos o posibles mejoras al sistema, para que en un futuro el proceso ya mejorado, se pueda implementar en las actuales empresas o mejor aún, en las que vendrán más adelante.

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2 Objetivos            

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Leer y analizar problemática propuesta por el docente. Confeccionar plano de instrumentación y control a partir del software AutoCAD. Calcular escalamiento de señales analógicas. Realizar configuración mediante Ispsoft. Seleccionar método PID a utilizarsoftware en nuestro proceso. Proponer posibles mejoras y soluciones al proceso propuesto.

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3. 3.   Marco Teórico. 3.1. Red Lion IAMS El transmisor red lion IAMS es una herramienta de uso industrial en cual sus funciones son recibir señales que posteriormente serán transformadas en señales analógicas de tipo voltaje, corriente, temperatura, etc. Principales características:  

Entrada universal, proceso, C.C. del mA, VDC, TC, 100 (RTD, potenciómetro, y rresistencia esistencia linear).

 

fuente de alimentación universal, universal, 21.6 a 253 VAC 19.2 a 300 VDC.

 

3 aislamientos de la manera (energía/señal/hecho (energía/señal/hecho salir).

 

Elija los Setpoints y/o los modelos de la salida análoga.

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Módulo de la programación/de exhibición (PGMMOD). (PGMMOD).

 

Programación disponible en siete diversos idiomas.  

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Imagen 1: Red Lion

Fuente: Courtesy of Steven Engineering Inc, (2020), recuperado r ecuperado de https://docs.rs-online.com/e756/0900766b81468d7a.pdf  https://docs.rs-online.com/e756/0900766b81468d7a.pdf  

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3.2. Relé Dispositivo electromagnético, cuya función es conmutar en el cual sirve como interruptor, esta función se da ya que este dispositivo se conforma de una bobina y un electroimán, en el cual se accionará y permitirá abrir o cerrar circuitos eléctricos independientes.

Imagen 2: Interior de un relé.

Fuente: areatecnologia, (2017), Relé, Recuperado de https://www.areatecn https://www.areatecnologia.com/ele ologia.com/electricidad/rele.h ctricidad/rele.html tml

3.3. Termocupla:

¿Qué es? La Termocupla es una herramienta de medición (sensor) de temperatura y se componen de dos cables de diferentes materiales, muy útil y utilizado comúnmente en entornos industriales, científicos y de ingeniería. Estructura interna y externa: Imagen 3: Estructura interna.

Fuente: WIKA (2014), recuperado de https://www.bloginstrume https://www.bloginstrumentacion.com/produc ntacion.com/productos/temperatura/cmo-func tos/temperatura/cmo-funciona-termopar/ iona-termopar/ ABP2 

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Imagen 4: Estructura externa.

Fuente: MEDITERM (2020), recuperado de https://www.logismarket.com.ar/mediterm/te com.ar/mediterm/termocupla/1975959773-p.html#supp rmocupla/1975959773-p.html#supplier-info lier-info https://www.logismarket.

Funcionamiento: Primero que nada, la Termocupla consiste en un par de hilos metálicos de diferentes materiales unidos en un extremo (comúnmente de hierro-níquel), al cual constituirá el punto de medición y le llamaremos  junta caliente (T1, Imagen Imagen 1) y al otro extremo le llamaremos junta fría ((T2, T2, Imagen 1). Este instrumento funciona bajo la primicia de la termoeléctrica, en donde al aplicarle una temperatura a la junta caliente de la Termocupla en relación a la junta fría de esta, se crea una diferencia potencial de tensión que es proporcional a la temperatura, esto quiere decir que mientras más temperatura haya en la junta caliente, mayor diferencia de voltaje tendremos t endremos y a través de esta diferencia podremos saber la temperatura que tendremos, ya sea en un proceso o en cualquier parte que se requiera saber la temperatura de algo.

Tipos de termocuplas y sus rangos de Temperatura: Existen una infinidad de tipos de termocuplas, pero las más utilizadas en las industrias son las de tipo J, K, T, R y S.

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Imagen 5: Tipos de Termocuplas.

Fuente: Courtesy of Steven Engineering Inc, (2020), Tipos de termocuplas, recuperado de https://docs.rs-online.com/e756/0900766b81468d7a.pdf  

3.4. PLC Delta SX2 Un PLC o Controlador lógico programable, es un dispositivo el cual permite controlar de forma automatizada diferentes procesos o maquinas en una empresa. El PLC es el cerebro de todo sistema automatizado, ya que es quien permite controlar todo de manera óptima. Para el caso planteado utilizaremos el PLC Delta SX2 ya que es de los más sencillos de ocupar, sin dejar de brindar la exactitud y calidad que se requieren para los sistemas en general. Características del PLC Delta SX2:                              

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Posee un formato Slim 70x90x60mm Posee 8 entradas Digitales y 6 salidas Digitales Posee 4 entradas Análogas/2 salidas Análogas Expansiones standars hasta 480 I/O Expansiones High Speed Capacidad 32000 lineas de programa Alimentación 24 VDC Entradas normales 24 VDC PNP o NPN Entradas de contaje rápido 200KHz Salida relé 28R o transmisor 28T Salidas de transmisor 2x100KHz + 2x10KHz + 2x1Khz 3 puertos de comunicación Posee puerto RS232 Posee puerto RS 485 Posee puerto USB

  Potenciómetros integrados para uso general

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Imagen 6: PLC Delta SX2

Fuente: Delta (2019), recuperado de https://es.delta-americas.com/Produ cts/CategoryListT1.aspx?CID=060301&PID=1521&hl=e ID=060301&PID=1521&hl=ennhttps://es.delta-americas.com/Products/CategoryListT1.aspx?C US&Name=DVP-SX2%20Series   US&Name=DVP-SX2%20Series

3.5. Control PID (método de Ziegler-Nichols):

Este método permite ajustar o sincronizar un control PID de forma empírica, sin necesidad de conocer las ecuaciones de la planta o del sistema controlado. Este método permitirá conseguir una respuesta al escalón con un sobrepulso máximo de 25% en donde se tendrán buenas características de rapidez y estabilidad para el sistema.

Una vez calculado Ko (dependerá de cada gráfico) g ráfico) se pueden calcular los parámetros del controlador PID con acción solo proporcional (P), proporcional e integral (PI), proporcional y derivativa (PD) o proporcional integral y derivativa (PID).

Ko = (dX * T2) / (dY * T1)

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Imagen 7: Tabla Ziegler-Nichols.

Fuente: Pardo. Carlos (2020) control Ziegler-Nichols, recuperado de https://www.picuin https://www.picuino.com/es/arduprog/c o.com/es/arduprog/control-ziegler-nichols.html ontrol-ziegler-nichols.html  

Ziegler-Nichols propone utilizar la siguiente tabla para los cálculos correspondientes al sistema.

3.6. Escalamiento de señales analógicas: ¿Qué es? El escalamiento en un proceso industrial de señales analógicas es una herramienta que nos facilitara saber el valor ya sea de entrada o salida de los transmisores en este proceso o en cualquier proceso en donde se requiera saber el valor salida o entrada de un transmisor con señal analógica como, por ejemplo: Transmisor de Temperatura, Presión, etc. ¿Cómo funciona? Mediante el escalamiento se puede convertir una señal dentro de un rango a otro rango, esto se puede realizar mediante la relación entre la señal de entrada y salida de nuestro transmisor. Para obtener los valores de estos, debemos de utilizar la ecuación de la recta que es la siguiente (considerando primero nuestra pendiente (m)), para luego reemplazarla en nuestra ecuación.   Lo primero que debemos hacer es hallar la pendiente con la siguiente ecuación:

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Imagen 8: Formula de la pendiente.

Fuente: Séptimo (2016) recuperado de http://mariamarrero7.blogspot.com/2016/04/formul a-de-la-pendiente.html ml   http://mariamarrero7.blogspot.com/2016/04/formula-de-la-pendiente.ht ABP2 

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  Luego con la pendiente que hallamos y con uno de los puntos, remplazamos en la ecuación principal y=mx+b y despejamos b.

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Imagen 9: Formula ecuación de la recta. r ecta.

Fuente: AskingRoom (2018) recuperado de  de  http://askingroom.com/blog/ecuacion-de-la-recta-3/ http://askingroom.com/blog/ecuacion -de-la-recta-3/   Una vez hallada la pendiente (m) y el intercepto con el eje Y (b) remplazamos de nuevo en la ecuación y=mx+b dejando X y Y como variables. v ariables.

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Donde nuestras X e Y serán nuestra entrada y salida de nuestro transmisor.

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4. 4.   Desarrollo. Para la elaboración del presente informe, se presenta la siguiente problemática: En una empresa se busca regular la temperatura de un horno mediante la utilización de una bombilla eléctrica, la cual se encargará de suministrar la temperatura necesaria para mantener el proceso en su estado óptimo. Para realizar la labor dada, se utilizarán diversos elementos que serán vitales, estos elementos son:   PLC Delta SX2: Será el encargado de controlar y mantener nuestro sistema funcionando en todo momento de la mejor manera posible.   Transmisor Red lion: Se encargará de transmitir las señales análogas entregadas por la termocupla hacia el PLC.   Termocupla: Ésta se encargará de medir la temperatura interna del horno en todo m momento. omento.   Relé de estado sólido: Será en encargado de conmutar y permitir el accionamiento de la bombilla mediante el paso de la corriente a 220V, 220V , permitiendo trabajar a la bombilla y al resto del sistema en distintas intensidades de voltaje.   Bombilla: Ésta será la encargada de entregar calor al horno y mantenerlo en una temperatura ideal.   Horno: Será el sistema que se pretende calentar mediante la bombilla.

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Inicialmente se realizará un plano en el Software AutoCAD que nos permitirá comprender y analizar el conexionado del sistema de mejor manera, para evitar errores y fallas al momento de realizar los conexionados reales. Imagen 10: Plano en AutoCAD. A utoCAD.

Fuente: Elaboración propia (2020) ABP2 

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4.1.  4.1. 

Escalamiento de señales.

Se realiza el escalamiento de señales con el fin de comprender de manera clara las transformaciones realizadas, permitiéndonos calcular y transformar en todo momento los valores medidos en voltaje, bits y grados Celsius de manera teórica, para de esta forma poseer una base frente a las mediciones reales que podamos poseer y analizar si es que existe alguna mala configuración en el sistema. Imagen 11: Escalamiento de señales.

Fuente: Elaboración propia (2020)

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4.2.  4.2. 

Configuración En ISPSoft.

Posteriormente se realizó la correspondiente configuración en el programa ISPSoft que nos permitirá sincronizar el PLC con la computadora, además de cargarle la configuración PID adecuada para el proceso. Imagen 12: Configuración ISPSoft.

Fuente: Elaboración Propia (2020) ABP2 

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4.2.1.  Descripción del diagrama. 4.2.1.  Inicialmente Inicialment e poseemos el bloque “Network 1” el cual se encarga de realizar el escalamiento escalamiento de las señales

mediante un valor de entrada entregado por el PLC en Bits y los datos obtenidos por la ecuación de la recta, con el fin de convertir los valores medidos en bits en un valor de temperatura. Posteriormente tenemos el bloque “Network 2” se encuentra el setpoint, es el valor que queremos

alcanzar con el sistema. En el bloque “Network 3” encontramos el control P ID mediante el cual controlaremos nuestra variable

manipulada (encendido y apagado de la bombilla), tomando en las entradas el valor de entrada en bits, la temperatura en grados Celsius y los parámetros. Con el bloque “Network 4” buscamos configurar los pa rámetros utilizados para el control PID, esto se

realiza mediante 5 parámetros con el comando MOV, el parámetro 0 correspondiendo a la frecuencia de actualización de datos, el parámetro 1 correspondería a valor proporcional del sistema, el parámetro 2 corresponde al valor integrativo del sistema, el parámetro 3 correspondería al valor derivativo del sistema, el parámetro 4 correspondería al tipo t ipo de control que queremos para el sistema dado, en este caso se elegio el “4” que es el exclusivo de temperatura, e l parámetro 5 correspondería al porcentaje de error a tolerar

por el control. En el último bloque “Network 5” encontramos la modulación por anchos de pulsos GPWM, mediante la

cual podremos controlar la luminosidad de la ampolleta, eligiendo en este caso una luminosidad al 50%.

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4.3.  4.3. 

Método de Ziegler Nichols

Existen dos métodos para sintonizar el controlador PID, los cuales, en cuanto a lo teórico, pueden resultar prácticos ya que nos acercan a los valores reales necesarios para la configuración, lamentablem lamentablemente ente no es tan fácil aplicarlo en casos reales, por las siguientes razones: 1er caso: Para el primer caso se requiere que la gráfica del sistema no sea o oscilante, scilante, lo cual no se cumple en el caso planteado. Imagen 13: Gráfica PID Sigmoidal.

Fuente: Sergio castaño (2016) recuperado de https://controlautomaticoeducacion.c om/control-realimentado/ziegler-nichols-sin egler-nichols-sintonia-de-control-pid/ tonia-de-control-pid/   https://controlautomaticoeducacion.com/control-realimentado/zi 2do caso: Para el segundo caso se requiere la función de transferencia, la cual no se posee en el caso planteado. Imagen 14: Función de transferencia.

Fuente: Sergio castaño (2016) recuperado de https://controlautomatic https://controlautomaticoeducacion.c oeducacion.com/control-realimentado/zi om/control-realimentado/ziegler-nichols-sintonia-d egler-nichols-sintonia-de-control-pid/ e-control-pid/

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En este caso no se puede utilizar ninguno de los dos métodos ya que no se poseen ninguna de las dos características requeridas para aplicar algunos de los dos casos de Ziegler Nichols, es decir, la función de transferencia o la gráfica, es por esto que en casos reales resulta más efectivo y sencillo utilizar la táctica de “prueba y error”, probando cada valor PID hasta conseguir la configuración deseada, esto demuestra que la teoría y la práctica no siempre son iguales.

4.4.   4.4.

Posible Solución.

Como grupo tras analizar el problema propuesto podemos encontrar primeramente un gran problema, el cual es el siguiente: Al utilizar una bombilla como método para calentar el horno, nos arriesgamos a que la bombilla no entregue la suficiente temperatura como para mantener nuestro horno al nivel deseado por mucho tiempo, además de que el sistema al activarse al bajar la temperatura, la bombilla estaría constantemente activándose y desactivándose al bajar 1 grado del deseado y al volver a la temperatura deseada, arriesgándonos a que la bombilla se queme en poco tiempo, ya que estas no están destinadas a encenderse y apagarse de manera constante y en poco tiempo, teniendo que obligarnos a cambiarla constantemente y perdiendo tiempo de producción. El siguiente problema que se puede apreciar es que no existe un sistema de seguridad que permita disminuir la temperatura del horno en caso de que exista un error en el proceso, quedando la bombilla perpetuamente encendida aumentando aumentando la temperatura a valores no deseados, por lo cual se aconseja que exista un sistema paralelo con un ventilador que se active cuando la temperatura sobrepase un umbral establecido, permitiendo de esta forma estabilizar la temperatura del horno aún con el sistema de control de la bombilla fallando.

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5. 5.   Conclusión. Como grupo podemos concluir que a pesar de que esta experiencia es básica, al momento de llegar a una empresa nosotros podemos implementarla a un mayor grado ya que el ejemplo dado por el profesor es sacado de la realidad, pero con un grado menor de dificultad. Gracias a los cálculos y gráficas expuestas en el informe se puede visualizar de una mejor manera como realmente funcionan los procesos automatizados en las empresas. Cabe destacar que gracias a este ABP como alumnos de Inacap nos sentimos cada vez más preparados para enfrentarnos a este tipo de situaciones que se nos puede dar en nuestro trabajo y así aplicar todo el conocimiento adquirido en las clases virtuales y prácticas. Se logra comprender de mejor manera la importancia de realizar el escalamiento de señales de manera teórica, ya que de esta manera se tendrá una guía en cuanto a los valores aproximados que tendrá que convertir nuestro sistema y entregar posteriormente, y así visualizar si es que existe alguna mala calibración en el equipo utilizado. Gracias a la utilización del software AUTOCAD se logra logr a preparar un plano de conexionado sobre el proceso en cuestión, el que permitirá de manera clara conectar posteriormente el sistema en la vida real, sin correr riesgos de instalar de manera errónea los cables, ya que se posee la guía virtual que se realizó. De manera satisfactoria se logra configurar un proceso PID mediante el software para PC ISPSoft. Finalmente se buscaron posibles soluciones y arreglos que mejorarían el funcionamiento del sistema para su implementación en la vida real.

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6 Referencias bibliográficas  areatecnologia. (2017). areatecnologia. Obtenido de https://www.areatecnologia.com/ele https://www.areatecn ologia.com/electricidad/rele.h ctricidad/rele.html tml  arian. (2016). arian. Obtenido de http://www.arian.cl/downloads/nt-002.pdf http://www.arian.cl/downloads/nt-002.pdf inc, C. o. (2020). Courtesy of steven enginnering inc. Obtenido de https://docs.rshtt ps://docs.rsonline.com/e756/0900766b81468d7a.pdf M., S. (2019). mastersi . Obtenido de https://mastersi.com.pe/blog/69-que-es-u https://mastersi.com.pe/blog/69-que-es-una-termocupla na-termocupla marrero, m. (2016). séptimo. Obtenido de http://mariamarrero7.blogspot.com/2016/04/formula-de-lahttp://mariamarrero7.blogspot.com/2016/04/formula-de-lapendiente.html

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