AUTORES: Luis Martín Barrera Pino Hugo Fernando Puentes Arango. DIRECTOR: Ing. Jorge Santamaría Carreño Ing. Leonardo Macias Lozada

Transcripción

1 DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN MODULO DE PROCESO DE MONITOREO Y CONTROL DE NIVEL Y FLUJO BASADO EN PC BAJO PLATAFORMA LABVIEW, PARA EL LABORATORIO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA DE LA UNIVERSITARIA DE SANTANDER AUTORES: Luis Martín Barrera Pino Hugo Fernando Puentes Arango DIRECTOR: Ing. Jorge Santamaría Carreño Ing. Leonardo Macias Lozada UNIVERSITARIA DE SANTANDER. FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA. Resumen: El Módulo de apoyo didáctico de monitoreo y control de nivel y flujo de agua basado en PC bajo plataforma LabVIEW 7 Express, integra software y hardware especializado para el monitoreo y control de las variables definidas en el diseño del sistema (nivel, flujo, volumen y presión). 1. INTRODUCCIÓN Dentro del campo de la Automatización Electrónica, existen diversos tipos de control, los cuales poseen varios criterios para la estimación de los parámetros del sistema y una adecuada implementación. En los procesos industriales la medición y el control de las variables de nivel y flujo se hacen necesarios: cuando se pretende tener una producción continua, al mantener una presión hidrostática, cuando un proceso requiere de control y medición de volúmenes de líquidos ó; bien en el caso más simple, para evitar que un líquido se derrame; la Medición de estos parámetros en los líquidos, dentro de un recipiente parece sencilla, pero puede convertirse en un problema relativamente difícil en los siguientes casos: cuando el material es corrosivo ó abrasivo, al exponerlo a altas presiones, si es radioactivo ó si se encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes móviles ó cuando es prácticamente imposible mantenerlas. El control de nivel entre dos puntos, uno alto y otro bajo, es una de las aplicaciones más comunes de los instrumentos para controlar y medir el nivel, los niveles se pueden medir y mantener mediante dispositivos mecánicos de caída de presión, eléctricos y electrónicos. Hoy en día, la instrumentación virtual sigue siendo una de las opciones favoritas para construir sistemas de automatización y control de procesos. Sin lugar a duda más y más sistemas están aprovechando la tecnología del PC para aplicaciones en las cuales el tiempo de prueba es primordial, los instrumentos basados en PC ofrecen el rendimiento imprescindible que se requiere para los sistemas automatizados actuale,

2 gracias a la estandarización de procesos y procedimientos inmersos en la tendencia global en donde los PC son y serán utilizados para la automatización industrial; por tal razón, queriendo obedecer a este parámetro se incorpora un software de gran utilidad en automatización como lo es LabVIEW 7 Express. El software LabVIEW, es un lenguaje de programación gráfica con el cual se pueden desarrollar sistemas de instrumentación automatizados. Los programas construidos en LabVIEW son llamados instrumentos virtuales (VIs), estos usan la tarjeta de adquisición de datos DAQ para adquirir o generar datos desde y hacia la instrumentación de campo. Los Instrumentos Virtuales VI, se benefician de la arquitectura abierta de los PCs con estándares industriales para proporcionar la capacidad de procesamiento, memoria y despliegue, mientras que las tarjetas de adquisición de datos (DAQ) proveen las herramientas de instrumentación. Debido al giro que viene dando en la actualidad el control de procesos en la industria y viendo la necesidad que los estudiantes de Ingeniería Electrónica y carreras afines de la Universitaria de Santander UDES, se familiaricen con estos temas de un modo más práctico, se desarrolló este proyecto que tiene como objetivo diseñar e implementar un módulo de apoyo didáctico de monitoreo y control de nivel y flujo basado en PC bajo plataforma LabVIEW. Integrando entonces los recursos humanos a los tecnológicos y las competencias intelectuales se hace necesario que este tipo de proyectos e instrumentos de aprendizaje se faciliten a los estudiantes en primera instancia en los laboratorios de la Universitaria de Santander y sea un programa piloto, modelo de innovación, empeño y muestra de colaboración del alma mater; obteniendo como valor agregado el posicionamiento de la Ingeniería Electrónica a nivel regional y nacional, el desempeño brillante de sus egresados y el deseo de muchos colombianos de formarse y capacitarse en tan prestigiosa institución. 2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA El Módulo de apoyo didáctico de monitoreo y control de nivel y flujo de agua basado en PC bajo plataforma LabVIEW 7 Express, integra software y hardware especializado para el monitoreo y control de las variables definidas en el diseño del sistema. Figura 1. Diagrama esquemático del sistema Sensor PROCESO PLANTA Acción Acondic. de señal Acondic. de señal A dquisición De datos Controlador Tx de ordenes PC - SW SCADA Alarmas Control manual Presentación Supervisión El software SECNIF 1.0 montado bajo plataforma LabVIEW 7 Express mediante una Tarjeta DAQ (PCI-6014), adquiere la información proveniente de los sensores de nivel ubicados en el tanque distribuidor y el tanque acumulador. Dichos sensores operan mediante el principio de medición de flotador y cuerda, el cual consiste en un flotador y un contrapeso conectados por medio de una cuerda la cual opera una polea. El flotador hace que la polea se mueva, de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una medición uniforme por medio de una variación del valor de resistencia de un potenciómetro lineal, el cual es usado para indicación y registro. El software desarrollado transforma la señal proveniente de los sensores en valores que indican el nivel de los tanques. Dicho software monitorea en tiempo real el nivel y calcula el volumen de los tanques y el flujo de entrada y salida de los tanques del sistema, dando lugar a generar acciones de control hacia los actuadores, tales como la bomba, la válvula motorizada y las válvulas solenoides.

3 Durante el monitoreo y adquisición de las variables del proceso, la interfaz de usuario presenta las gráficas en tiempo real del nivel, volumen y flujo del sistema. A través del software SECNIF 1.0 se presenta una GUI (Interfaz Gráfica de Usuario) que permite el enlace a Tutorial, Simulación y Proceso, además da la posibilidad de salir; con estas opciones el usuario tiene la posibilidad de adquirir información general del sistema, realizar una simulación del sistema y también acceder a una serie de prácticas entre las cuales se encuentran conocimiento y familiarización del modulo de proceso, calibración de cada instrumento, monitoreo y control manual de nivel y flujo, control on/off de nivel, control on/off de flujo y prácticas propuestas. Figura 3. Sensor de nivel tipo flotador y cuerda. Encargado de adquirir la información del sistema con el fin de monitorear y ejercer control con el software SECNIF SWITCHE DE NIVEL TIPO FLOTADOR Figura 4. Switche de nivel tipo flotador. 3. HARDWARE UTILIZADO 3.1 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DAQ PCI 6014 NATIONAL INSTRUMENTS Figura 1. tarjeta DAQ PCI-6014 Es usado para ejercer control ON OFF de nivel. 3.5 VÁLVULA MOTORIZADA E10012 LUNKENHEIMER Figura 5. Válvula motorizada E10012 Lunkenheimer. Adquisición y generación de datos con el fin de ejercer control en el sistema. 3.2 BLOQUE CONECTOR I/O CB 68 LP Figura 2. bloque conector Válvula con la cual se puede ejercer control de flujo dependiendo del porcentaje de apertura que se encuentre. 3.6 VÁLVULA SOLENOIDE BUSCHJOST Dispositivo en el cual se encuentran las conexiones de la interface de proceso PI. 3.3 SENSOR DE NIVEL TIPO FLOTADOR Y CUERDA

4 Figura 6. Válvula solenoide Buschjost Indicadores visuales de presión en el sistema. válvula de control ON OFF con las cual se controla las variables del sistema (nivel y flujo). 3.7 VÁLVULA SOLENOIDE AIRTAC 2W DC24V Figura 7. Válvula solenoide Airtac 2W DC24V 4. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE SCADA "SECNIF" PROGRAMA PRINCIPAL El diseño del software SECNIF 1.0 se basa en un programa principal que se encarga de enlazar las subrutinas y de llevar al usuario a través de las diferentes opciones de la GUI. Las opciones del programa principal son: Tutorial, Simulación, Proceso y Salir. Figura 10. interface de usuario del programa principal Válvula de control ON OFF con las cual se controla las variables del sistema (nivel y flujo). 3.8 BOMBA ELECTROSUMERGIBLE 1-MA LITTLE GIANT Figura 8. Bomba electrosumergible 1-MA Little Giant TUTORIAL: El usuario ingresa a una interface gráfica de usuario (GUI) donde podrá acceder a información técnica relacionada con la Descripción General del Sistema y Condiciones de Seguridad. Figura 11. Interface de usuario de subrutina tutorial. la Encargada de suministrar el agua a la red de tuberías desde el tanque distribuidor al acumulador. 3.9 MANÓMETROS PRESSURE Figura 9. Manómetro Pressure.

5 SIMULACIÓN: El usuario accede a una GUI, donde podrá realizar una simulación del sistema y observarla en tiempo real en un sinóptico. Figura 12. Interface de usuario subrutina simulación. PROCESO: El usuario accede a una GUI, donde encontrará las siguientes prácticas: conocimiento y familiarización del modulo de proceso, calibración y prueba con cada instrumento, monitoreo y control manual de nivel y flujo, control on/off de nivel, control on/off de flujo y prácticas propuestas. Los siguientes componentes están estratégicamente localizados en el circuito: Tanque Distribuidor. Tanque Acumulador. Sensor de Nivel Tanque Distribuidor (LS1). Sensor de Nivel Tanque Acumulador (LS2). Switche de Nivel. Bomba Electrosumergible. 2 Manómetros. Válvula motorizada. 3 válvulas solenoides. 4 válvulas manuales. Interface de proceso PI. Fuente de Alimentación. Figura 14. Modulo de nivel y flujo Figura 13. Interface de usuario subrutina proceso Fotografía autores CONCLUSIONES 4. FRAME DE PROCESO E INGENIERÍA DE DISEÑO 4.1 DESCRIPCIÓN GENERAL El frame de proceso e ingeniería de detalle, consiste en el desarrollo de cada uno de los diseños mecánicos y ergonómicos del módulo así como de las especificaciones necesarias del proceso. El equipo de proceso básico principalmente consiste de un circuito de baja presión que maneja como fluido agua. Al implementar el sistema SECNIF 1.0 se introduce mayor adaptabilidad y eficacia a un proceso de monitoreo y control de nivel y flujo. El sistema combina la plataforma de PC, hardware, software y todos los accesorios y dispositivos necesarios para la creación de este sistema electrónico. Una vez creado el sistema, es fácil modificarlo y configurarlo para satisfacer aplicaciones diferentes o hacer cambios en el modelo existente sin tener que comprar nuevos equipos. De acuerdo a lo anterior podemos concluir que la eficacia y adaptabilidad ofrecida por este sistema basado en PC no puede ser igualada por instrumentos tradicionales de funciones

6 fijas tales como voltímetros, osciloscopio, generadores de señales y/o datos, registradores de datos, controladores, etc. Mediante este proyecto se estableció un precedente en el montaje de un laboratorio de automatización para el programa de Ingeniería Electrónica de la Universitaria de Santander UDES, ya que el sistema SCADA (Sistema de Adquisición de Datos y Control Supervisorio) SECNIF 1.0, desarrollado sobre plataforma LabVIEW 7 Express, permite visualizar, registrar y controlar en tiempo real la magnitud de las variables físicas (nivel, volumen y flujo) presentes en el sistema y a su vez con la posibilidad de adaptarlo a diferentes necesidades encaminadas en el desarrollo de otros proyectos como la implementación de una válvula proporcional en serie con el circuito de tuberías, módulos didácticos para pruebas de adquisición y generación de datos con tarjetas DAQ y puertos del PC, etc. El Modulo de Nivel y Flujo basado en PC bajo plataforma LabVIEW, hace parte del área de investigación y desarrollo de módulos y equipos de laboratorio para el programa de Ingeniería Electrónica con miras a implementar un laboratorio completo para las materias de Control Digital, Sistemas de Control, Automatización Industrial, Electivas (Instrumentación Virtual con LabVIEW), cursos de LabVIEW y Mediciones Eléctricas. Con el desarrollo de este tipo de proyectos interdisciplinarios el alumno aplica no solamente los conocimientos adquiridos en el área de la electrónica, si no también, procedimientos como el Diseño Industrial (frame del proceso de ingeniería de detalle), Mecánica de Fluidos, Mecánica, etc: lo cual es de suma conveniencia para que el alumno se familiarice completamente con equipos de instrumentación y control que puede llegar a encontrarse en su desempeño profesional. Al desarrollar un sistema SCADA (Sistema de Adquisición de Datos y Control Supervisorio) a escala, como el que se desarrolló en este proyecto, se le brinda la posibilidad al estudiante de tener una visión global acerca de los componentes tanto de software como de hardware necesarios en las soluciones de Automatización Industrial. 5. RECOMENDACIONES BASADAS EN EL MANTENIMIENTO Es importante mantener el módulo cubierto cuando no se este utilizando para evitar el deterioro de la estructura y la acumulación de suciedad en los tanques de distribución y acumulación, con esto evitamos que el sistema se mantenga en condiciones ideales. En periodos de tiempo prolongados sin utilizar el sistema es importante desocupar el agua de los tanques para evitar suciedad, hongos y taponamiento de las válvulas. Se recomienda que el sistema no deje de funcionar por periodos largos, esto con el fin de evitar un mal funcionamiento de los elementos. 5.1 RECOMENDACIONES BASADAS EN MEJORAS El Módulo da la posibilidad de adaptarle el diseño e implementación de diferentes prácticas como el control de tres términos de nivel y flujo PID y todas las relacionadas con las variables que componen el sistema. Acople de una válvula proporcional. Diseño de módulos didácticos para pruebas de adquisición y generación de datos con tarjetas DAQ y los diferentes puertos del PC.

7 Diseño e implementación de módulos de procesos para monitoreo y control de otras variables como temperatura y presión. 6. RECONOCIMIENTO 8. CONSULTAS EN INTERNET El proyecto fue conducido por el ingeniero Jorge Enrique Santamaria Carreño y Leonardo Macias Lozada. Y el ingeniero Expedito Parra Patiño como director de la facultad de ingeniería electrónica 7. BIBLIOGRAFÍA ANTONI, Mànuel. DOMINGO, Biel. JOAQUIN, Olivé. JORDI, Prat. FRANCESC J, Sánchez. Instrumentación Virtual. Alfaomega. CRANE. Flujo de fluidos. Mc Graw Hill. CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial.6ª Edición Alfaomega Marcombo. KATSUHIKO, Ogata. Ingeniería de Control Moderna. 3ª Edición Prentice-Hall. LABVIEW. User manual LAZARRO, Antonio Manuel. Programación gráfica para el control de instrumentación. LabVIEW 6i. Paraninfo MERLE C, Potter. DAVID C, Wiggert. Mecánica de fluidos. 3ª Edición. NATIONAL INSTRUMENT. Catalogo. Measurement Automation. NORMAN S, Nise. Sistemas de Control para Ingeniería. CECSA. Tarjeta DAQ, PCI 6014, User manual. WIN VAN, de Kamp. Teoría y Práctica de Medición de Niveles. Endress + hauser. 17 a. Edición.