Control de Procesos Industriales

 

PONTI PON TIFICIA FICIA U UNIVER NIVER SIDAD CA TÓ TÓLICA LICA DE L PE R Ú SECCIÓN DE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA

IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

Periodo: 2019.I 2019.I  

LABORATORIO

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Control de Procesos Industriales CONTENIDO: 

  OBJETIVOS  MATERIALES Y EQUIPOS  SOFTWARE DE APLICACIÓN  FUNDAMENTO TEÓRICO  PRÁCTICA DE LABORATORIO  INFORME PREVIO

     

1. OBJETIVOS.

  Reconocer el pro proceso ceso y la instrumentación de cada Planta Modelo del Laboratorio de Control y familiarizarse con sus diagramas P&ID.



  Determinar y vvalidar alidar experimentalmente el modelo matemático de alguna de las mencionadas plantas mediante técnicas de identificación.



  Sintonizar los parámetros de configuración del algoritmo algoritmo PID en el controlador industrial ABB ControlMaster CM50 mediante técnicas heurísticas.



2. MATERIALES Y EQUIPOS. 

  Plantas presión). Modelo de control de procesos industriales (flujo, temperatura, nivel,   04 Co Controladores ntroladores Indus Industriales triales ABB ControlMaster CM50.   04 R Registradores egistradores Industriales ABB SM500F.   04 Válvulas Neumáticas Proporcionales.   01 Sensor de Flujo.   05 Sensores de Temperatura (PT100).   01 Sensor de Nivel.   01 Sensor de Presión.   04 Transductores de Corriente (4-20 mA) a Presión (3-15 PSI).   01 Compresor de aire (externo).

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3. SOFTWARE DE APLICACIÓN. APL ICACIÓN.  

Data Manager: Manager: Complemento de MS Excel para importar datos del registrador.   Microsoft Excel:  Para manipular la data obtenida del registrador.   MATLAB/Simulink:  Simulación de los modelos en lazo l azo abierto y cerrado.

4. FUNDAMENTO TEÓRICO. 4.1. 4.1. Objetivos del Contr Control ol de Procesos. Los objetivos principales del control de procesos son los siguientes:  

Mantener las variables important importantes es de un proceso en vvalores alores deseados.   Aumentar la eficienc eficiencia ia de los procesos mejorando la respuesta transitoria.   Disminuir la sensibilidad a las perturbaciones.   Evitar la inestabilidad de proceso procesoss críticos que podrí podrían an ocasionar daños e incluso algún accidente.

4.2. 4.2. Estructura Estruc tura Básica de los Sistema Sistemass de Control. Control . Un sistema de control esta compuesto por variados equipos, los cuales se pueden agrupar de la siguiente manera: controladores, actuadores y sensores. Dichos equipos se comunican entre ellos mediante señales físicas continuas (corriente, voltaje, presión, etc.) y/o de manera digital según protocolos de comunicación alámbrica o inalámbrica. Como se muestra en la siguiente figura, los equipos se disponen formando un lazo de control retroalimentado.

Fig. 1. Diagrama de Bloques de un Sistema de Control en Lazo Cerrado: Componentes y Señales Involucradas.

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A continuación, se presenta una breve descripción de los principales componentes que intervienen en los sistemas de control de procesos:  

Proceso:   Operación o secuencia de operaciones que involucra un fenómeno físico o químico (cambio de energía, estado, composición, dimensión, etc.). Ejemplo: 

Proceso de calentamiento de un fluido.   Sensor (Elemento Primario):   Es el elemento que captura una señal física del proceso y la convierte en una señal eléctrica. Ejemplos: Barómetro, Sensor de Flujo, Termocupla.   Transmisor: Es el elemento encargado de recibir la señal eléctrica del sensor y convertirla en una señal estándar analógica o digital. Este elemento incluye toda la circuitería necesaria para el acondicionamiento de la señal cruda entregada por los sensores.  

Controlador:  Es el elemento que determina la acción que debe ser tomada sobre el proceso. Utilizando la señal recibida del transmisor y basándose en algoritmos de control, determina la acción que debe ejecutar el actuador. Ejemplo: Controlador Industrial con Algoritmo Proporcional Integral Derivativo (PID).  

 Ac tuado  Actu adorr (Element (Elem ento o Fin al):  Es el elemento que recibe la señal generada por el controlador e interactúa con el medio físico del proceso. Ejemplos:  Válvulas proporcionales, resistencias eléctricas, motores.

A continuación, definimos las principales señales involucradas en los sistemas de control de procesos:  

Variable de Proceso (PV):  Representa la variable más importante del proceso y es la propiedad física que se desea controlar. Esta variable es medida por un sensor. Ejemplo: Presión, nivel, temperatura, flujo. En Inglés: PROCESS VARIABLE.  

Punto de Ajuste (SP):   Es el valor deseado de la variable de proceso. El controlador utiliza este valor como referencia y lo compara con el valor de la variable de proceso para generar la señal de control. En Inglés: SET POINT.

 

Variable ó Se Variable Señal ñal de Contr Control ol (O): (O):  Es la señal de salida del controlador y se utiliza para que el actuador interactúe con el proceso. Ejemplo: Apertura de una válvula proporcional. En Inglés: OUTPUT.  

Perturbaciones:  Son todas las variables externas no manipulables que pueden afectar la variable del proceso. Ejemplos: Condiciones ambientales, variaciones de la presión de suministro de aire, obstrucciones en el flujo, etc.

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. En resumen, un Sistema de Control en Lazo Cerrado trabaja de la siguiente manera:   La Variable de Proceso (PV) es continuamente medida a través de un Sensor/Transmisor. El controlador recibe esta señal y la compara con el Punto de Ajuste (SP). Dependiendo de la diferencia existente entre estas dos señales (SP-PV), el controlador determina una acción de control, la cual se basa en un algoritmo (usualmente PID). El actuador recibe la señal de control (O) del controlador y según el

valor de esta, interacciona con el Proceso. El ciclo se repite de manera periódica.

P& ID. D. 4.3. 4.3. Representación Representación de Procesos Industriales: Industr iales: Di ag r am as  P La instrumentación industrial estudia los equipos utilizados para la automatización de procesos industriales. La integración de los equipos (sensores, actuadores, controladores y elementos auxiliares) se representa gráficamente mediante diagramas P&ID (diagramas de tuberías e instrumentación) en donde se utilizan símbolos normados por ISA (Sociedad de Instrumentistas de América). Los diagramas de tuberías e instrumentación (P&ID) son de mucha utilidad para tener un claro entendimiento del funcionamiento de un proceso industrial dado que incluye información importante sobre los elementos empleados en el lazo de control (tipo, función, ubicación, conexionado) y las tuberías (diámetro, nombre, material, fluido que transportan, aislamiento, etc.). 4. 4.3. 3.1 1 Símbolo s de Inst Instrument rumentos. os. Los diagramas P&ID utilizan símbolos, letras, líneas especiales y números de identificación para representar los instrumentos. La descripción simbólica de los instrumentos nos debe indicar el tipo, localización y función de cada instrumento. En la siguiente tabla se muestran algunos al gunos símbolos utilizados: Tabla 1. Símbolos de Instrumentos en Diagramas P&ID  C AMPO 

T ABLERO   ( ACCESIBLE  ACCESIBLE )

Instrumento Discreto, Aislado Instrumento Compartido. Sistema de Control Distribuido. Computador Controlador Lógico Programable (PLC)

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T ABLERO   (DENTRO)

T ABLERO   ( AUXILIAR  AUXILIAR )

 

PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. 4. 4.3. 3.2 2 Etiquetas ó TAGs TAGs de Instru mentos.

Cada instrumento puede ser identificado mediante una etiqueta o TAG que va dentro del símbolo del instrumento. Cada TAG está compuesto de dos partes. La primera parte identifica la función del instrumento y está formada por letras según la norma ISA (ver Tabla 2). La segunda parte suele ser información codificada del área de la planta. Tabla  2. Letras de Identificación Funcional de Instrumentos. Primera Letra Letra  A B C D E F G H I J K

Variable Anális Anál isis is Combustión Conductividad, concentración Densidad, Peso especifico Voltaje Flujo Calibre Manual Corriente Eléctrica Potencia Tiempo

L M N O P

Nivel Humedad

Q R S T U V W X Y

Cantidad Radiactividad Velocidad o frecuencia Te Temperatura mperatura Multivariable Viscosidad Peso o Fuerza Libre a elección Evento, Estado, Presencia

Z

Posición

Presión o Vacío  Vacío 

Letras Sucesivas Sucesiv as Lectura o Función Pasiva Alarma Regulación (ON-OFF)

Función de Salida

Letra de Modificación

Control

Sensor Vidrio Alarma de alta Indicación (indicador) Estación de Control Luz Piloto

Alarma baja Medio ode intermedio

Libre a elección Orificio Punto de prueba o conexión Registro Interruptor Transmisor Multifunción Válvula

Multifunción Vaina Libre a elección

Libre a elección Relé. Conversor Actuador, Manejador

Multifunción Libre a elección

Ejemplos de etiquetas de instrumentos:

FIC / 101: 101: TR / 201: 201: LV / 301: 301: PE / 401: 401:

Controlador e Indicador que pertenece a un lazo de control de Flujo. Área 101. Registrador que pertenece pertenece a un lazo lazo de control de Temperatura. Área 201. Válvula que pertenece a un lazo de control de Nivel. Nivel. Área 301. Sensor que pertenece a un lazo de control de Presión. Área 401.

4.3.3 4.3 .3 Líneas L íneas y Señales.

Las líneas indican la forma en que se interconectan los diferentes instrumentos y tuberías dentro de un lazo de control. Las líneas que representan señales pueden ser de diferentes tipos dependiendo de la naturaleza de la señal (ver tabla 3).

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. R epresentar Señales Tabla 3. Tipos de Líneas para Representar

SEÑAL ELÉCTRICA (USA)

ENLACE MECÁNICO  ENLACE INFORMÁTICO  SEÑAL ELÉCTRICA DIGITAL (USA)

SEÑAL ELÉCTRICA (EU)

SEÑAL ELÉCTRICA DIGITAL (EU)

SEÑAL NEUMÁTICA 

SEÑAL NEUMÁTICA DIGITAL **

SEÑAL HIDRÁULICA  SEÑAL ELECTROMAGNÉTICA

TUBO C APILAR  

PROCESO, A  ALIMENTACIÓN SEÑAL INDEFINIDA 

SEÑAL ELECTROMAGNÉTICA ACÚSTICA 

ACÚSTICA 

Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación de los instrumentos: AS: Alimentación de aire. ES: Alimentación eléctrica. GS: Alimentación de gas. HS: Alimentación hidráulica.

NS: Alimentación de nitrógeno. SS: Alimentación de vapor. WS: Alimentación de agua.

Como se ha podido ver en la tabla anterior, existen varios tipos de señales. Las señales de transmisión más utilizadas en la industria son las señales neumáticas y eléctricas. Las señales hidráulicas se utilizan en aplicaciones de alta potencia, y las telemétricas (ondas de radio) cuando se debe cubrir grandes distancias. Para el caso de las señales eléctricas y neumáticas se tienen los siguientes rangos estándar: Tabla 4. Rangos Estándar para las Señales Eléctricas y Neumáticas SEÑALES NEUMÁTICAS 

3 – 15 psi

0.2 – 1 bar

SEÑALES ELÉCTRICAS 

4 – 20 mA

1 – 5 V

0 – 20 mA

0 – 10 V

-10 – +10 V

4.3.4 Válvulas de Control.

Las válvulas son elementos finales de control. Realizan la función de variar el flujo del fluido que pasa por la tubería donde la válvula está instalada. Las válvulas se comportan como oorificios dedeárea variable. Laneumático. abertura del orificio suele ser regulada de forma manual a través accionamiento

La válvula tiene dos componentes principales: el actuador y el cuerpo. El actuador convierte la señal de entrada en un desplazamiento lineal o rotacional de un elemento obturador, el cual es trasladado al cuerpo para permitir un mayor o menor paso de flujo del fluido. En caso de no haber señal de accionamiento en la válvula, esta adopta una posición específica por defecto (cerrada o abierta en fallo). IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. Tabla 5. Símbolos para las Válvulas de Control MANUAL DE PERILLA  

MANUAL DE PALANCA 

SOLENOIDE  

MOTOR ROTATIVO 

NEUMÁTICA CON MUELLE 

NEUMÁTICA PROPORCIONAL  

CILINDRO DE SIMPLE EFECTO 

CILINDRO DE DOBLE EFECTO 

VÁLVULA EN GENERAL 

VÁLVULA DE GLOBO 

VÁLVULA DE MARIPOSA 

VÁLVULA DE DIAFRAGMA  

VÁLVULA DE 3 VÍAS 

VÁLVULA DE 4 VÍAS 

VÁLVULA ANGULAR 

OBTURADOR ROTATIVO  VÁLVULA DE BOLA 

ABRE EN FALLO (NO)

CIERRA EN FALLO (NC)

SE BLOQUEA EN FALLO 

INDETERMINADA EN FALLO 

S E R O D A U T C

A

S O P R E U

C

N IÓ C C

A

4.3.5 Convertidores de Señales.

Realizan el cambio de un tipo de señal a otra. Dicha conversión debe definirse en la esquina superior derecha del símbolo teniendo en cuenta las siguientes letras: I E P H F

: CORRIENTE  : VOLTAJE  : PRESION NEUMÁTICA  : PRESIÓN HIDRÁULICA  : FRECUENCIA 

Ejemplo:

Conversor de una señal de corriente a  presión dentro de un lazo de control de flujo. Área 101. 

4. 4.3. 3.6 6 Ejemplo de Lectura Lect ura de un Diagrama Diagr ama de Inst Instrum rumentación entación (P&ID) (P&ID)..

En la figura 2 se muestra el diagrama P&ID de un intercambiador de calor. En este equipo industrial, el objetivo es calentar un fluido hasta una cierta temperatura deseada. El calentamiento se efectúa por transferencia de calor desde un fluido mucho más caliente, comúnmente vapor de agua saturado. El número de identificación del lazo es 101. Con este número y la primera letra identificadora (T) sabemos que el propósito primario de este lazo es el control de temperatura. Los instrumentos presentes en el lazo son: un sensor de temperatura (TE), un transmisor de temperatura (TT), un controlador-indicador (TIC) y una válvula de compuerta de diafragma con muelle (TV). Como elemento accesorio se tiene un transductor o conversor de corriente a presión (TY I/P). Cada una de estas funciones es designada por la segunda o tercera letra del código de identificación. IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

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Fig. 2. Ejemplo de un diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID)

El sensor, el transmisor y el convertidor están montados en campo, esto se indica con la ausencia de una línea horizontal dentro del círculo. La línea dentro del círculo del controlador indica que este instrumento puede ser accedido por el operador en la sala de control. Por la simbología de líneas concluimos que el sensor está conectado al proceso por medio de un tubo capilar. La línea punteada indica que la señal del transmisor hacia el controlador es de tipo eléctrica. La señal que sale del controlador es enviada al conversor I/P que convierte la señal eléctrica en una señal neumática estándar. Este a su vez envía una señal al elemento final que en este caso resulta ser una válvula. Al observar la dirección de la flecha en el símbolo de la válvula, concluimos que “cierra en fallo”.  

4.4 4.4 Obtención Experimental Experimental del del M Modelo odelo Mate Matemático mático de un Proc Proceso: eso:   Id en t i f i c ac i ó n  d d e  S Si s t em as . Identificar un proceso significa obtener un modelo matemático del proceso a través de una experiencia. En el caso de procesos industriales es común utilizar el método de la prueba del escalón en lazo abierto. Este método consiste en excitar el proceso con una entrada tipo escalón unitario (ejemplo: apertura brusca de la válvula) y registrar su respuesta (presión, flujo, etc.). Dependiendo del tipo de dinámica obtenida (primer o segundo orden, con o sin retardo, sobre o sub-amortiguado), se encuentran los parámetros que definen la función de transferencia, es decir el modelo matemático del proceso. Para esto se utilizan las fórmulas que se muestran a continuación (u : entrada, y : salida). IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. 4. 4.4. 4.1. 1. Proceso de Primer Orden si sin n Retardo Pur Puro: o:

4. 4.4. 4.2. 2. Proceso de Primer Orden co con n Retardo Puro Pur o :

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. 4. 4.4. 4.3. 3. Proceso Sub-a Sub-amor mortig tiguado uado d e Segundo Orden :

4. 4.4. 4.4. 4. Proceso Sobre-amort Sobre-amort iguado de Segundo Orden :

4. 4.4. 4.5 5 Proceso ccon on Integradores:

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4.5 4.5 Controladores Control adores Industriales Industr iales y Sintoniza Sintoni zación ción .  Los controladores industriales están basados en un microprocesador que nos proporciona la implementación de un algoritmo de control digital. El algoritmo de control más utilizado en los controladores industriales es el PID (ProporcionalIntegral-Derivativo) Integral-Derivat ivo) debido a su sencillez, facilidad de sintonización y robustez. 4.5.1. Algoritmo PID.

Este algoritmo de control tiene una estructura relativamente simple, la cual puede ser fácilmente comprendida e implementada en la práctica. Además, tiene una excelente fiabilidad y versatilidad en el control de sistemas dinámicos, principalmente lineales de primer y segundo orden, mediante el ajuste sencillo de sus parámetros, lo que establece un comportamiento estable en el proceso.

Fig. 3. Controlador  PID

La ecuación del algoritmo PID está compuesta de tres tipos de acción: proporcional, integral y derivativa. Cada acción de control tiene un efecto diferente y característico. KP: CONSTANTE PROPORCIONAL  KI : CONSTANTE INTEGRATIVA  KD: CONSTANTE DERIVATIVA  TI   

KP

,

TD 

KI

  1 uPID (t (t))  K P  e(t )    TI  



KD

 

KP

t 

 e(t )dt    T

de(t )  

D

0

dt 

  

 

K P: GANANCIA (GAIN GAIN)) TI: TIEMPO INTEGRATIVO (RESET RESET)) TD: TIEMPO DERIVATIVO (RATE RATE))

En los controladores industriales los parámetros del PID se denominan: GAIN, RESET y RATE. GAIN representa la constante proporcional (KP), alternativamente se puede encontrar este parámetro como Banda Proporcional (PB) la cual se expresa como 100/KP en unidades porcentuales, RESET representa el tiempo integral (T I) y RATE el tiempo derivativo (TD). Asimismo, debido al hecho de que los controladores industriales utilizan microprocesadores, en la práctica estos utilizan la ecuación del algoritmo PID en su versión discreta: di screta:

Donde T: Tiempo de muestreo. IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

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4. 4.5. 5.2. 2. Mé Método todoss de Sint Sintonización onización..

La sintonización de los controladores industriales se puede realizar mediante técnicas heurísticas (prueba y error), con las cuales se determina valores adecuados para los parámetros del algoritmo PID. Notaremos que cada tipo de proceso tiene un comportamiento lo que que no existen valores universales adecuados para los parámetros y diferente, de hecho por se espera en cada proceso los valores de estos sean considerablemente distintos. En la siguiente tabla se muestran rangos de los valores obtenidos en diferentes procesos, que pueden ser utilizados de manera referencial. Tabla  6.  Valores Referenciales de los Parámetros del algoritmo PID. K P  

< 1.0 0.2 - 0.6 1.5 0.5 - 5.0 0.01 - 0.5 1.0 - 20.0

Nivel de Liquido Temperatura Flujo Presión de Liquido Presión de Gas Cromatógrafo

T  I   [ MIN]

T  D  [ MIN]

10 2-15 0.1 0.005-0.5 0.1-50 10-120

0.25 0.02-0.1 0.1-20

Una sintonización adecuada de los parámetros del controlador debe ser realizada a través de métodos sistemáticos. La mayoría de estos métodos se basan en los resultados de la curva de reacción (respuesta en lazo abierto del proceso para una entrada tipo escalón), es decir, se basan en el modelo identificado experimentalmente a través de las tablas presentadas presentadas en la sección 4.4. A continuación se describen los principales métodos de sintonización: Método de Zie Método Ziegler-Nichol gler-Nicholss en Lazo Abierto.   El método de Ziegler-Nichols en Lazo Abierto es el más difundido. Los resultados de este método se deducen a partir de un sistema de primer orden con retardo puro que tiene una tasa de decaimiento de ¼.



 

Tabla 7. Método de ZIEGLER-NICHOLS en Lazo Abierto.  K P  

T  I 

          

P



K   T d 

   

T  D  

0 

PI

     0.9      

3T d   

 

0 

PID

     1.2       K   T d 

2T d   

 

0.5T d   

K   T d 

* VALIDO PARA

           0.5  

PROCESOS CON K  T   d 

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 

 

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

 

Método Mé todo de Cohen-C Cohen-Conn onn (laz (lazo o abierto). abi erto).  Tabla 8. Método de COHEN-CONN  K P  

P

PI

PID



 

T  I 

      T d             1             K   T  d  3           T d               0.9       12      K   T d              T         1. 3   d      4      K   T d     



T  D  

   

0 

 

  2

30  T d     3  T d        9      20  T d 

   

 

  2

32  T d     6  T d        13      8  T d 

   

0  4  T d   

   

   

11      2  T d 

 

Método Mé todo de Chien-H Chien-Hrones-Re rones-Resw swick ick (laz (lazo o abierto). abiert o).  Tabla 9. Método de CHIEN-HRONES-RESWICK  0% DE SOBRE IMPULSO  K P  

T  I   

0.3      

P



    T 

 

20% DE SOBRE IMPULSO  T  D  

K P  

0 

0.7      

    T 

     

PI

    T 

1.2    

   

     

0 

    T 

 

0 

   

0 

1.4      

0.47  T d   

  

d 

0.6      

      

    T 

0.95      

0.5  T d   

 

    T 

d 



 



0.6

d 

PID

T  D  

d 

d 

0.35

 

T  I 

 

 

d 

Otros Métodos en Lazo Lazo Abierto Abierto..  Tabla 10. Otros métodos en lazo abierto K P  

ISE

IAE ITAE

T  I 

 

T  D  

  0.9584   0.87798     0.89711     T d       T d            0.54766                                  0 . 7987 K  T        d          0.89819   1.05211   0.76167    T d       0.98089              T d      0.91032        0.59974                T     d    K                 1.03826   0.70949     1.0640       T  0.77902         T d           0.57137         d                          1 . 14311 K  T           d        1.1907         

ISE: INTEGRAL DEL ERROR AL CUADRADO IAE: INTEGRAL DE ERROR ABSOLUTO DEL ERROR  ITAE: INTEGRAL DE ERROR ABSOLUTO DEL ERROR POR EL TIEMPO 



 

Método Mé todo de Ziegler-N Ziegler-Nich ichols ols en Lazo C Cerrado. errado. 

El método de Ziegler-Nichols en Lazo Cerrado no utiliza la curva de reacción sino la sensibilidad del proceso a un controlador puramente proporcional.

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Tabla 11. Método de ZIEGLER-NICHOLS en Lazo Cerrado.  K P  

P

 

T  I 

0.5  K u  



 

T  D  

0 

 

PI PID

T u

0.45  K u   0.6  K u

1 .2 T u

 

   

2

0  T u

 

 

8

Fig.  4. Método de ZIEGLER-NICHOLS en Lazo Cerrado 



 

Sintonización Sintoniza ción Prá Práctica ctica del Controlador. 

La sintonización práctica del controlador industrial se lleva a cabo usualmente con colaboración de operadores expertos con amplia experiencia de trabajo con la planta en cuestión a fin de encontrar los parámetros que proporcionen la mejor respuesta.

Fig. 5. Respuesta del proceso tras modificar el parámetro GAIN

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A continuación algunas reglas de sintonización práctica que pueden ser útiles: 1. Anule las aacciones cciones de control del algoritmo, configurando los parámetros de la siguiente forma: GAIN = 0, RESET = inf y RATE = 0. En caso de existir parámetros previamente configurados, tomar nota de dichos valores. 2. Active el modo automático del controlador (laz (lazoo cerrado), cambie el SET POINT y coloque un valor de GAIN pequeño (ejemplo: 0.02) de tal forma que se consiga disminuir el error. 3. Cambie el SET POINT e incremente progresivamente el GAIN hasta qque ue el error disminuya a una velocidad adecuada. 4. El RESET es el tiempo de reset que incrementa la ganancia ddel el lazo del proceso en bajas frecuencias y es usado para anular el error en estado estable ante señales de referencia tipo escalón. Disminuya el valor de RESET hasta minimizar el error en estado estable del proceso. 5. El RATE aumenta la ganancia del lazo proceso en altas frecuencias. Es usado para aumentar la velocidad de respuesta del proceso. Incremente progresivamente el valor del RATE hasta lograr la velocidad de respuesta adecuada.

5. PRÁCTICA DE LABORATORIO. 5.1 5.1

Recono Reconocimi cimiento ento de las Plantas Plantas Modelo.

5.1.1 Planta Modelo de Control 5.1.1 Contr ol De Flujo . En esta planta se controla el flujo de agua que pasa por una tubería. Una bomba es la encargada de generar el movimiento del fluido y una válvula proporcional de accionamiento neumático se encarga de restringir el paso de agua. El flujo de agua

es medido, en primer lugar, por un rotámetro y luego por un sensor electromagnético de flujo. TAREA:

Utilice el diagrama P&ID que se presenta a continuación, interprételo y haga el reconocimiento de los siguientes equipos y enumere las posibles perturbaciones.         

Bomba de agua. Rotámetro. Sensor de flujo. Válvula neumática proporcional.

  Controlador industrial.    Registrador industrial.   Transductor de corriente a presión.   Llaves y tuberías. 

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Fig. 6. P&ID de la Planta modelo de control de FLUJO

5.1.2 Planta Modelo de Control 5.1.2 Contr ol De Temperatur Temperatura a En esta planta se controla la temperatura del agua a la salida de un intercambiador de calor. Una bomba proporciona un flujo de agua de un tanque de agua caliente. La temperatura del agua de este tanque es regulada a través de un sistema de resistencias eléctricas. Una segun segunda da bomba proporciona un flujo de agua fría al intercambiador de placas. La temperatura transferida es controlada por una válvula proporcional que regula el ingreso de agua caliente al intercambiador. IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. TAREA:

Utilice el diagrama P&ID que se presenta a continuación, interprételo y haga el reconocimiento de los siguientes equipos y enumere las posibles perturbaciones.   Bombas de agua.   Rotámetros.   Sensores de temperatura (PT-100)

  Controlador industrial. (doble lazo)   Registrador industrial.   Transductor de corriente a





  Amplificador de potencia.   Resistencia eléctrica.

presión.   Válvula neumática proporcional.   Llaves y tuberías.







CONTROL DE TEMPERATURA DIAGRAMA DE INSTRUMENTACI INSTRUMENTACIÓN ÓN 1-5VDC

TET 201

TIC

4-20mA

Manómetro LET 201

TIR

201

201 4-20mA

Presostato I E 4-20mA

TY 201

4-20mA I P

FY 202

Tanque de agua caliente

FI 201

1-5VDC

TIC

4-20mA

TIR

202

202 4-20mA

3-15psi

Variador de frecuencia

Indicador FI Turbina 202 FV 202

TT 201 TT 202

A

FIT 202

E

FI 202

B

F

TT 201

TT 201

C D TANQUE SUMINISTRO DE AGUA FRÍA

TANQUE DRENAJE

Alimentación de agua fría

Drenaje

 

Fig  7. P&ID de la Planta modelo de control de TEMPERATURA T EMPERATURA IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

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5.1.3 Planta Modelo de Control 5.1.3 Contr ol de Nivel. En esta planta se controla el nivel de agua dentro de un tanque elevado, mediante una válvula neumática proporcional que regula el ingreso de agua por la parte superior. En la parte inferior se cuenta con unas válvulas manuales para drenaje. Note que el máximo caudal de agua ingresada (válvula totalmente abierta) tiene que

ser mayor que el caudal de drenaje, para que el sistema sea controlable. TAREA:

Utilice el diagrama P&ID que se presenta a continuación, interprételo y haga el reconocimiento de los siguientes equipos y enumere las posibles perturbaciones.         

Bomba de agua. Rotámetro. Sensor de nivel. Válvula neumática proporcional.

  Controlador industrial.    Registrador industrial.   Transductor de corriente a presión.   Llaves y tuberías. 

Fig. 8. P&ID de la Planta modelo de control de NIVEL IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. 5. 5.1. 1.4 4 Planta Modelo de Control de Presión Presión .

En esta planta se controla la presión de aire dentro de un tanque con agua, mediante una válvula neumática proporcional que regula el ingreso de aire a dicho tanque. El aire pasa primero por un rotámetro, luego por la válvula neumática y finalmente al tanque con agua, donde se mide la presión interior. El escape de aire se regula mediante la válvula manual. TAREA:

Utilice el diagrama P&ID que se presenta a continuación, interprételo y haga el reconocimiento de los siguientes equipos y enumere las posibles perturbaciones.         

  Controlador industrial.    Registrador industrial.   Transductor de corriente a presión.   Llaves y tuberías.

Bomba de agua. Rotámetro. Sensor de presión. Válvula neumática proporcional.



Fig. 9. P&ID de la planta modelo de control de PRESIÓN IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

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5.2 5.2 Consideraciones Consideracion es Iniciales.   Verificar que la compresora se encuentra encendida. con on las llaves ttermo-magnéticas ermo-magnéticas del tablero de   Encender las plantas modelo c distribución.   Abrir la llave llave de ingres ingresoo de aire comprimido para los equipos de las plantas



modelo.

5.3 5. 3

Puesta en Marcha de las Plantas Modelo. Modelo .

5. 5.3. 3.1 1 Planta M Modelo odelo de Control d e F Fluj lujo. o.

1. Llene el reservorio de agua hasta la mitad mediant mediantee la válv válvula ula de alimentación de agua. 2. Verifique que las válvulas A, B, C y D estén abiertas. 3. Encienda la bomba de agua. 4. Encienda el controlador y el registrador industrial. Planta Modelo Modelo d e Control de Te Temperatur mperatura. a.

1. Llene el tanque de suminis suministro tro de agua fría hasta la mitad mediante la válvula de alimentación de agua fría. 2. Verifique que el tanque de agua caliente se encuentre lleno. 3. Verifique que las válvulas A, B, C estén abiertas y que las válvulas D, E, F estén cerradas. 4. Encienda las bombas dde e agua. 5. Encienda el amplificador de potencia de la resistenc resistencia ia eléctrica. 6. Encienda el controlador y el registrador industrial. Planta Modelo Modelo de d e Control de Nivel. 1. Llene el reservorio de agua hasta la mitad mediant mediantee la válv válvula ula de aliment alimentación ación de agua. 2. Verifique que las válvulas A, B, C y D estén abiertas. 3. Encienda la bomba de agua. 4. Encienda el controlador y el registrador industrial. Planta Modelo Modelo de Control Contro l de Presión

1. Llene el reservorio de agua hasta la mitad mediant mediantee la válvula de alimentación de agua. 2. Verifique que la válvula A esté abie abierta rta y B parcialmente abierta. IEE244 - Laboratorio de Sistemas de Control  

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3. Encienda el controlador y el registrador industrial.

5.4. 5.4. Configuración Configur ación de las Plantas Plantas M Modelo. odelo. 1. Verifique que las conexiones eléctricas de la planta modelo est estén én correctas. 2. Revise la configuración del controlador ABB CM5 CM500 con ayuda del JP. 3. Revise la configuración del registrador ABB SM500 con ayuda del JJP. P.

5.5. Obteniendo la Curva Estática del Proceso La curva estática nos servirá para determinar el rango lineal del proceso. Se determina en lazo abierto , fijando la señal de entrada del proceso en un valor constante (O = cte.) y midiendo el valor de la salida del proceso cuando alcance su estado estable (PV = cte.). Para esto siga los siguientes pasos: 1. Coloque el controlador ABB CM CM50 50 en modo manual, presionado la tec tecla la 2. Mediante las teclas “ ” y  “ ”, coloque el valor de la variable “ O” con los valores mostrado en la siguiente tabla y anote los valores de la variable “ PV”.  O ( ui ) 0% 5% 10 %

PV ( y i) 

90% 95 % 100 %

O = 0:5:100; %Genera O PV = [ ]; % Agrega datos en PV plot(O,PV); % Grafica O vs PV

3. Grafique la curv curvaa est estática ática (O vs. PV) en MATLAB con los resultados obtenidos, y determine el rango lineal del proceso según su consideración. RANGO LINEAL (O) = desde .........% hasta .........% RANGO LINEAL (PV) = desde .........% hasta .........%

5.6. 5.6. IIdentifi dentificación cación del Proceso En la sección 4.4., se revisaron varias técnicas para la identificación de procesos. Escoja alguna de ellas que sea adecuada según su criterio para obtener un modelo matemático del proceso. 1. Inserte una memoria SD en el registrador industrial SM500F. Para esto requiere liberar la puerta del registrador.

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2. Presione la tecla

, seleccione la opción “Registro” del menú de operador y

luego la tecla . Seleccione “En línea” para comenzar a grabar los datos del proceso. Debe observar como el ícono de la tarjeta de memoria cambia de color gris

a verde

.

3. Verifique que el controlador CM50 este en modo manual. m anual. 4. Mediante las teclas “ ” o “ ”, cambie el valor de la variable “O” al menor valor del rango lineal elegido. 5. Espere hasta que el valor de la variable “ PV” se encuentre en estado estable.   6. Rápidamente, mediante las teclas “ ”  o  “ ”, cambie el valor de la variable “ O”  al mayor valor del rango lineal definido, de tal forma que se asemeje a una entrada escalón (dejar pulsada la tecla de subida o bajada por unos instantes para conseguir un incremento progresivamente más rápido de la señal de control). 7. Para terminar la grabación de datos: Presione la tecla

, seleccione la opción

. Finalmente, seleccione “Fuera de línea” para terminar la grabación. Debe observar com o el ícono de la “Registro” del menú de operador y luego la tecla

tarjeta de memoria cambia de color verde a gris . 8. Extraiga la tarjeta SD del registrador industrial e insértela en una PC. 9. Ejecute DataManager Pro y seleccione File

Import Archives Files.

10. Seleccione la ruta de la memoria mem oria y haga Click en Import. 11. De la barra de herramientas seleccione Chart

Create Chart.

12. En Add Trace, seleccione el registrador SM500F poniendo un check a su lado. 13. Tras confirmar la lectura de los canales, presionar OK para mostrar la gráfica. 14. A fin de trabajar con un rango limitado de datos adquiridos, seleccione de la barra la opción Edit

Go To Fixed Range.

15. En el cuadro que se abre seleccione el intervalo de tiempo con el que desea trabajar. 16. Seleccione el botón proceso.

Export to Excel para crear una hoja con los datos del

17. Importe los datos al MATLAB usando el comando XLSREAD, y grafique la respuesta en lazo abierto del proceso a una entrada escalón ( t  vs. O y PV).

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PUCP – Sección de Electricidad y Electrónica. curvas= xlsread('archivo.xls'); t=[0:0.1:(length(curvas)-1)*0.1]'; plot(t,curvas); legend('PV','O'); xlabel('t [seg]'); ylabel('[%]'); grid minor  

18. De los gráficos obtenidos determine el modelo del proceso, es decir construya la función de transferencia G(s) de dicho modelo. 19. Utilizando la función de transferencia determinada, ingrese el siguiente diagrama a SIMULINK para la simulación del proceso en lazo abierto. Compruebe la respuesta de la función de transferencia ante una entrada tipo escalón (en la figura se muestra un modelo a manera de ejemplo).

5.7 5.7 Sintoniza Sintoni zació ción n del Controlador Control ador PID. PID. En la sección 4.5.2., se revisaron varios métodos para la sintonización de controladores PID. Aquí se va a elegir uno para sintonizar el controlador del proceso. 1. Seleccione un método de sintonización para determinar las constantes K p, T i  y Td , mediante los parámetros de la función de transferencia (sección 4.5.2.). 2. Utilizando las constantes K P, TI y TD, del controlador PID, determine K P, K I y K D  3. Utilizando las constantes K P, K I y K D, determinadas, ingrese el siguiente diagrama a SIMULINK para la simulación del proceso en lazo cerrado. Compruebe la respuesta del proceso con el controlador PID, a una entrada escalón.

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4. Ingrese los valores de las constantes K P, TI  y  TD  recién determinadas al controlador CM50. Recordar que el controlador recibe como parámetros la Banda Proporcional BP (100/Kp), así como los tiempos Ti y Td en segundos. Presionar en el controlador el botón y seleccionar usando las teclas “ ” y “ ” la opción “Acceder a modo config.”. En esta ventana elegir Nivel de Acceso Básico.  5. Dentro del nivel básic básico, o, seleccionar P PID ID y modificar los parámetros del algorit algoritmo mo usando las teclas “ ” y “ ”. No olvidar tomar nota de los parámetros previamente configurados. 6. Realizar cambios en set point dent dentro ro del rango lineal elegido ppara ara observar el desempeño del controlador. Realizar pruebas complementarias activando perturbaciones en cada una de las plantas.

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