Control de la maqueta IPC-201 mediante

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1 Control de la maqueta IPC-201 mediante Labview. Aplicación didáctica. MEMORIA DEL PROYECTO Realizado por: Alexis Roy Abrutsky. Especialidad: Ingeniería técnica industrial especialidad en electrónica industrial. Tutor: Rosa Argelaguet, Francesc Delis : Fecha de entrega:

2 0. RESUMEN: CONTROL DE LA MAQUETA IPC-201 El siguiente PFC describe la realización de una aplicación didáctica para controlar por medio de un ordenador la maqueta de simulación de procesos industriales IPC-201, adquirida por el departamento de automática y control del colegio de formación práctica IES SEP Lacetania. La maqueta IPC-201 consta de tres depósitos en los que puede contenerse cualquier tipo de líquido (al ser didáctica contiene agua desalinizada para no corroer ningún componente), esta además contiene todas las variables analógicas y digitales necesarias para realizar el control de nivel, caudal y temperatura de su depósito central, aparte de tener todos los actuadores necesarios para poder realizar el intercambio de líquido entre cualquiera de los tres depósitos. En este caso toda la maqueta es controlada por un ordenador con dos tarjetas de adquisición de datos del tipo PCI-6221 de 37 pines de National Instruments, toda la interface de usuario y el control están realizados con LABVIEW por la simpleza y rapidez de desarrollo de aplicaciones que este tipo de lenguaje de programación gráfica dispone. Esta aplicación consta de dos modos de funcionamiento, uno es el modo manual en el cual el usuario puede controlar cualquier variable analógica y/o digital independientemente y en el cual no se realiza ningún tipo de regulación y el otro es el modo automático el cual permite al usuario seleccionar la variable a controlar (nivel, caudal o temperatura), entrar las constantes del PID y realizar la regulación automáticamente. Al ser de uso didáctico el programa se basa en poder realizar el control de las variables del sistema pudiendo cambiar los parámetros PID pudiendo así hacer que el sistema oscile, sea de primer o segundo orden, etc. Dependiendo de la variable a controlar. Para poder realizar el control de las variables digitales mediante el ordenador se tuvieron que adaptar previamente los niveles de tensión tanto de las entradas como de las salidas, en el caso de las entradas se utiliza una batería de relés con activación a 24V que es la tensión de los sensores capacitivos que dispone la maqueta y realizar el cambio de escala de tensión con su contacto normalmente abierto a 5V, en el caso de las salidas, para poder activar las electroválvulas y relés, se utilizan dos baterías de relés con activación de la bobina en un rango de 5-24V (en el caso que nos ocupa 5V) y realizar el cambio de escala de tensión con su contacto normalmente abierto a 24V para poder activar los actuadores. Para poder realizar el control de las señales analógicas de entrada cuyos sensores dan una salida en intensidad 4-20mA (temperatura y nivel), se utilizaron dos resistencias de 500 para realizar el cambio de intensidad a tensión y las otras dos variables que se leen (caudal y presión) van conectadas directamente puesto que ya trabajan en un rango de 1-5V de tensión. 1 Memoria

3 Para poder controlar las salidas analógicas se utiliza en uno de los casos (consigna de la ITV) un conversor V/I puesto que requiere entrada de intensidad y las demás van cableadas directamente a la salida de la tarjeta PCI-6221 puesto que requieren una consigna en tensión de 0-10V (célula peltier, bomba, válvula proporcional). Para poder realizar el conexionado tuvo que diseñarse los esquemas eléctricos y la disposición de cada señal así como realizarse el cableado de la maqueta con la numeración correspondiente. En este caso la aplicación es muy versátil puesto que puede actuarse de manera independiente sobre cada una de las señales, sean analógicas o digitales, así como realizar el control de nivel en subida o bajada del depósito central, el caudal que entra y sale del depósito central, puesto que es en un bucle cerrado, sale del depósito central para poder entrar al depósito central controlando el caudal y sin que haya la posibilidad de quedarse sin líquido cualquiera de los depósitos o la temperatura del mismo, actuando sobre los diferentes parámetros del PID pudiendo observar la respuesta no solo intuitivamente y en directo sino también en una grafica que recoge los datos y que es capaz de volcarlos en diferentes ficheros de texto para su posterior análisis. Para poder analizar los datos dispone de un recuperador de gráficos que permite analizar las diferentes variables que contiene el sistema. Por otra parte y debido a la estructura utilizada y a la manera de funcionamiento es fácilmente cambiar la configuración del hardware del ordenador (tarjetas de adquisición), o porqué no cambiar el ordenador entero, puesto que con pequeñas modificación en algunos de los ficheros de configuración, obviamente siguiendo una estructura y reglas determinadas, es posible adaptar la aplicación sin necesidad de cambiar el código. Por otra parte esta aplicación fue pensada para poder en un futuro se publicada en internet, en este momento no es posible por motivos de seguridad realizar la publicación en internet, pero de todas formas se ha realizado una manera de interactuar mediante el acceso a la red local del laboratorio donde esta contenida la maqueta, para que desde cualquier navegador web (internet explorer, mozilla firefox, netscapa, cromme, etc) puede obtenerse el control de la aplicación con el único requisito de tener instalado el runtime del Labview Memoria

4 Índice. 0. Resumen: Control de la maqueta IPC Objetivos generales del Proyecto Objetivos específicos del proyecto Descripción de la maqueta IPC Control de Fluidos Elementos de control analógico y digital Botonera Sensórica Control de fluidos (actuadores) Controlador e interface de control Esquema global del proyecto Modo de funcionamiento de la maqueta IPC Regulación y control de las variables analógicas y digitales Control de nivel del depósito central Control de temperatura Control de Caudal Lectura de presión del depósito lateral izquierdo Gestion de variables digitales Metodología de gestión de las variables digitales (DIOS) Filosofía de gestión programática de las DIOS Escalado de las señales digitales Gestion de variables analogicas Metodología de gestión de variables analógicas Filosofía de la gestión programática de las señales analógicas Utilizacion del programa Inicialización de la aplicación Interface de usuario Barra de menú contextual Opciones de control de la interface de usuario Modo manual Modo automático Filosofia de programacion Memoria

5 11.1. Estructuras de programación utilizadas Diagramas de flujo e implementación del programa Lazos de regulacion implementados Diagrama de flujo para realizar el control de nivel y caudal Diagrama de flujo para realizar el control de temperatura Estructura de control implementada Publicación web Conclusiones Respecto al programa Respecto al hardware Respecto de la maqueta Bibliografia Libros Manuales del fabricante Hoja de datos Páginas Web Programas utilizados Memoria

6 1. OBJETIVOS GENERALES DEL PROYECTO. Por objetivos generales para la realización del proyecto se definieron: 1) Diseñar y programar mediante LABVIEW el control por ordenador de las diferentes variables analógicas y digitales que contiene la maqueta IPC ) El control debe realizarse de manera rápida y eficaz. 3) El control debe ser fácilmente editable por el usuario. 4) Una vez implementado el programa, realizar su publicación web. 5) El programa debe permitir la formación de alumnos de ciclos formativos y asignaturas introductorias a regulación automática a nivel universitario. 5 Memoria

7 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL PROYECTO. A continuación se describirán en forma de lista los objetivos específicos que deben cumplirse a la finalización del proyecto, estos objetivos fueron fijados en parte por especificaciones del usuario final (el colegio de formación práctica Lacetania de Manresa), puesto que este proyecto pretende controlar una maqueta de prácticas y debe ser funcional y en parte por la propia complejidad del sistema. Los objetivos específicos son: 1) Controlar de forma rápida, eficaz y a petición del usuario mediante la implementación de un programa para ordenador las diferentes variables analógicas y digitales que componen la maqueta de simulación de procesos industriales IPC ) El programa debe ser capaz de controlar: nivel, temperatura y caudal de uno de los depósitos que dispone. 3) Realizar un control de usuarios adecuado. 4) La interface de usuario debe ser sencilla y adecuada al tipo de usuarios que utilizarán la maqueta para poder realizar su formación. 5) Realizar la publicación web. 6) Realizar la traducción de todas las pantallas y mensajes de la aplicación final para poder realizar la publicación web. 7) Que la aplicación sea fisilmente ampliable y de fácil modificación de su configuración. 8) Realizar la adecuación de la maqueta para poder trabajar realizando el control desde el ordenador (cableado, adaptación de señales, etc.). 6 Memoria

8 3. DESCRIPCIÓN DE LA MAQUETA IPC-201. La estación de simulación IPC-201simula la producción y el mezclado de líquido, y en ella predomina la tecnología de control de fluidos. Esta estación se divide en dos partes, la primera centrada en el control de fluidos y la segunda orientada a la regulación y el control de variables analógicas y digitales. Depósito acumulador Depósito Lateral derecho Depósito central Depósito Lateral izquierdo Foto 3.0. Foto General de la maqueta IPC-201. Botonera 3.1. Control de Fluidos. Esta maqueta permite simular la producción y el mezclado de líquido. Consta de tres depósitos, dos laterales que almacena la materia prima y uno central en el que se realiza la mezcla. Esta estación permite el paso controlado del líquido de un depósito a otro, de tal manera que todos los depósitos están interconectados entre sí. A continuación se detallan los componentes integrantes de los depósitos. Depósito lateral izquierdo: es un depósito de 2,4 l de capacidad y unos 25cm de alto, este depósito dispone de tres orificios en su parte superior para realizar el llenado y la presurización del mismo. Dos de los orificios se emplean para el llenado del depósito y el tercero para la presurización. En uno de los orificios de llenado, hay instalada una llave de paso manual para poder hacer el llenado de forma manual o poder poner de forma manual una presión de una atmosfera dentro del depósito para poder perturbar el comportamiento del control. En el segundo orificio está instalada una electroválvula de fluidos de dos vías con anti-retorno para poder realizar el llenado del depósito de forma automatizada. En el tercer orificio se encuentra 7 Memoria

9 instalado un transductor electroneumático de presión este controla la presión de salida proporcionalmente a la señal de tensión analógica de su entrada. En la parte inferior del depósito dispone de un orificio de salida donde hay instalada una electroválvula de fluidos de dos vías para poder realizar el vaciado del depósito de forma automatizada. Para mayor seguridad el depósito va provisto con dos sensores capacitivos de nivel (digitales) para indicar los valores máximos y mínimos del depósito. Depósito lateral izquierdo: es un depósito de 2,4 l de capacidad unos 25cm de alto, este depósito dispone de cuatro orificios en su parte superior para realizar el llenado, la presurización y medición de presión del mismo. En uno de los orificios de llenado, hay instalada una llave de paso manual para poder hacer el llenado de forma manual o poder poner de forma manual una presión de una atmosfera dentro del depósito para poder perturbar el comportamiento del control. En el segundo orificio hay instalada una electroválvula de fluidos de dos vías con anti-retorno para poder realizar el llenado del depósito de forma automatizada. En el tercer orificio hay instalada una electroválvula neumática 3/2 monoestable con la que se controla la entrada de aire a presión al depósito dependiendo de una señal eléctrica digital. En el cuarto orificio se encuentra instalado un presostato digital de gran precisión que permite ver en tiempo real la presión interior del depósito, este dispone de dos salidas digitales y una analógica que pueden ser utilizadas para realizar el control de presión de forma automática. En la parte inferior dispone de un orificio de salida donde hay instalada una electroválvula proporcional de fluidos de dos vías con para poder realizar el vaciado del depósito de forma automatizada y controlada. Para mayor seguridad el depósito va provisto con dos sensores capacitivos de nivel (digitales) para indicar los valores máximos y mínimos del depósito. Depósito central: es un depósito de 2,4 l de capacidad unos 25cm de alto, este depósito dispone de dos orificios en la parte superior donde hay instaladas dos electroválvulas de fluidos de dos vías para realizar el llenado del depósito. Así mismo en la parte inferior dispone de dos orificios donde hay instaladas dos electroválvulas de fluidos de dos vías para realizar el vaciado del depósito. Además en su parte superior dispone de diferentes elementos que se detallan a continuación: Agitador: está formado por un eje con hélices en uno de sus extremos, que esta accionado por un motor de corriente continúa. Sensor de temperatura: está formado por una sonda Pt100 de temperatura con un convertidor KD acoplado a su salida, esta sonda resistiva da una resistencia de 100W a 0ºc y va aumentando su resistividad con el aumento de temperatura, al tener acoplado un convertidor 8 Memoria

10 KD a la salida, este nos da una señal analógica de corriente con un rango de 4-20mA con un rango de operación de temperatura de 0-120ºc. Sensor de nivel: está formado por un sensor de presión diferencial con el que se mide el nivel de fluido ya que el nivel de fluido en un deposito cerrado es proporcional a la diferencia de presión en el fondo del depósito y la presión atmosférica, y de un orificio de entrada de presión atmosférica. En la parte inferior está equipado con diferentes dispositivos que se detallan a continuación: Refrigerador/Calentador: está basado en dos células Peltier, un radiador y un ventilador que permiten calentar o enfriar el fluido del interior del depósito. Anexo: Principio de funcionamiento de las células Peltier. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión, que se enfría, hasta la otra, que se calienta. El efecto es utilizado para la refrigeración termoeléctrica. Para mayor seguridad el depósito va provisto con dos sensores capacitivos de nivel (digitales) para indicar los valores máximos y mínimos del depósito. A continuación se muestra el esquema de conexionado neumático e hidráulico así como la disposición de los depósitos, electroválvulas, válvulas y caudalímetro. Figura 3.1. Disposición y conexionado de los depósitos. 9 Memoria

11 Conexiones a las tarjetas de adquisición Conexiones a las tarjetas de adquisición Batería de relés para la adecuación de las entradas digitales Regletero de concentración de todas las señales de la maqueta Fuente de alimentación a 5V Batería de relés para la adecuación de las salidas digitales Conversor V/I Regletero de concentración de todas las señales de la maqueta Foto 3.1. Vista general de la maqueta IPC-201. En la foto puede observarse la disposición real de todos los elementos que se utilizan para poder realizar la adaptación de las señales tanto analógicas como digitales y para realizar la adquisición de todas estas señales por medio de las dos tarjetas de adquisición PCI-6221 conectadas en el ordenador destinado a realizar el control de la maqueta. 10 Memoria

12 4. ELEMENTOS DE CONTROL ANALÓGICO Y DIGITAL Botonera La maqueta de simulación dispone de una botonera de mando general en la que se encuentran los mando directos para poder poner en marcha/parar la maqueta y actuar sobre la misma. Los controles de los que dispone son los siguientes: Pulsador de marcha. Pulsador de paro. Pulsador de reset de alarmas. Interruptor general de potencia (ON/OFF). Selector de controladores (PLC/PID industrial). Paro de emergencia enclavado. Baliza de color rojo para la señalización de alarmas Sensórica. Cada uno de los 3 depósitos dispone diferentes dispositivos para poder realizar las mediciones de las diferentes variables de control que pueden realizarse. Como en este caso solo se realiza en control de nivel del depósito central, solo se detallaran dichos dispositivos cuando dicho depósito sea objeto de estudio. A continuación pasa a detallarse todos los dispositivos de control (sensores) que dispone la maqueta. 1 Presostato digital (modelo ISE L). 1 Caudalímetro (modelo PFW2W504-F03-2), display para caudalímetro (modelo PF2W301-A-M). 1 Sensor de presión diferencial baja (modelo PSE550-AC2), display para sensor de presión diferencial (modelo PSE303-LB). 1 Sonda Pt100 con cabeza amplificadora. 6 Sensores capacitivos. 11 Memoria

13 Sonda Pt100 Válvula de llenado Mezclad or Presostato para medir el nivel por medio de la presión diferencial Bomba Caudalímet ro Célula peltier + disipador de calor Ventilador Foto 4.0. Deposito Central y elementos de control Control de fluidos (actuadores). Al hacer un control de nivel de fluido, los objetos de control, actuadores, en este caso son electroválvulas de fluido, en este caso de fluido líquido. Para poder realizar el control de nivel, es necesario activar/desactivar cada uno de estos dispositivos. A continuación se detallan los actuadores que dispone la maqueta. 7 Electroválvulas monoestables 3/2 de fluido (modelo VCW21-5D-4-02F-Q). 1 Electroválvula neumática. 1 Electroválvula proporcional. 1 Transductor electroneumático de la serie ITV1000 de SMC. 1 Motobomba de 24V de Corriente Continua. 2 Células Peltier de 10V-73W de Qmax. 12 Memoria

14 Válvula de llenado Válvula de llenado Entrada de presión Display del presostato Válvula de vaciado ITV con display Válvula Proporcional Foto 4.1. Depósito lateral izquierdo Foto 4.1. Depósito lateral derecho 4.4. Controlador e interface de control. En este caso el control se realizara mediante un ordenador (que en adelante denominaremos PC) el que dispone de dos tarjetas de adquisición de datos PCI-6221 de la serie m de bajo coste de 37 pines de NATIONAL INSTRUMENTS, cada una de las tarjetas de adquisición cuentan con entradas y salidas digitales y analógicas para poder realizar el control y un contador de 32 bits que no será utilizado para realizar el control. Las tarjetas de adquisición tienen la siguiente especificación: 2 Canales de salida analógica de 16 bits (833 ks/s). 16 Canales de entrada analógica en modo single ended, o 8 Canales de entrada analógica en modo diferencial. 10 Canales de entrada/salida digital configurables independientemente referenciadas a masa. 13 Memoria

15 1 contador de 32 bits. Rango de entrada/salida analógica de 0 a 10 Voltios. Rango de tensión funcionamiento de las entradas digitales 0-3V se considera nivel bajo, de 3-5 se considera nivel alto. Rango de tensión funcionamiento de las salidas digitales, 5V. A continuación se presenta el pinout de una tarjeta de adquisición de datos PCI-6221 de 37 pines similar a las que se utilizan para la realización de los diferentes tipos de control. Figura 4.1. Pinout de la tarjeta de adquisición De datos PCI-6221 de National Instruments. Nomenclatura: AI n: Entrada analógica n. AO n: Salida Analógica n. AI/AO GND: Entrada/Salida analógica de referencia 0V si la entrada está definida como RSE (Entrada referenciada a masa). AI Sense: Referencia analógica de masa si se definen las entradas como NRSE (entrada no referenciada a masa) Pn.m: puerto digital n, bit m. D GND: Entrada/Salida digital de referencia 0V. PFI n: Entrada del contador de 32 bits NC: No conectado. 15 Memoria

16 Las entradas/salidas sean analógicas o digitales se conectan desde los objetos de control/actuadores a un bloque conector que a su vez va conectado a la tarjeta de adquisición alojada en el ordenador mediante un cable plano. Bloque conector Cable Plano Tarjeta de adquisición Ordenador + Software Figura 4.2. Esquema de conexionado. La utilización de dos tarjetas de adquisición del tipo PCI-6221 de NATIONAL INSTRUMENTS, se debe a que son las que el colegio de formación práctica Lacetania de Manresa disponía para poder realizar el control, hay que decir que estas tarjetas son tarjetas de la serie M de NI esto significa que son adecuadas para realizar tareas generales, puesto que dispones de entradas y salidas analógicas y digitales, por otro lado estas tarjetas pueden ser substituidas por otras que deben ser adecuadas para la realización de un control de este tipo, a continuación se muestran una tabla de configuración de hardware en la que pueden encontrarse las tarjetas que posiblemente puedan substituir a las actuales PCI Como podrá observarse las tarjetas tienen una configuración muy similar, la diferencia más grande reside en el número de entradas y salidas analógicas y digitales. En este caso es más importante que se cumplan el número de entradas analógicas que se requiere para poder realizar el control del sistema, como en el caso que nos ocupa no ésta determinada la mejor manera de realizar el conexionado de la adquisición analógica no es de vital importancia que la tarjeta disponga de varios modos de realizar la adquisición analógica (diferencial, referenciada a masa, no referenciada a masa o single ended). Como podrá observarse se han dejado fuera de la clasificación las tarjetas USB, esto es de esta manera porque dichas tarjetas aceptan un rango de tensión de sus entradas analógicas de 0-5V y tienen un rango de tensión de sus salidas analógicas de 0-5V lo que es insuficiente para realizar tanto la adquisición como la generación de las señales analógicas. 16 Memoria

17 Adquisición analógica Adquisición digital PCI-6230 (8 canales de entrada analógica, 4 PCI-6528 (24 canales de entrada y 24 canales de salida analógica, 6 canales de canales de salida aislados) entrada digital y 4 canales de salida digital) Entrada Analógica: 8 SE/4 DI 250 ks/s 16 bits Salida Analógica: ks/s 16 bits E/S Digital: 6 DI/4 DO Contadores/Temporizadores: 2 32 bits 80 MHz Tipos de Medida: Digital, Frecuencia, Codificadores de cuadratura, Voltaje PCI-6230 (8 canales de entrada analógica, 4 PCI-6503 (24 canales de entrada y 24 canales de salida analógica, 6 canales de canales de salida) entrada digital y 4 canales de salida digital) Entrada Analógica: 8 SE/4 DI 250 ks/s 16 bits Salida Analógica: ks/s 16 bits E/S Digital: 6 DI/4 DO Contadores/Temporizadores: 2 32 bits 80 MHz Tipos de Medida: Digital, Frecuencia, Codificadores de cuadratura, Voltaje PCI-6230 (8 canales de entrada analógica, 4 PCI-DIO96 (96 canales configurables como canales de salida analógica, 6 canales de entrada o salida) entrada digital y 4 canales de salida digital) Entrada Analógica: 8 SE/4 DI 250 ks/s 16 bits Salida Analógica: ks/s 16 bits E/S Digital: 6 DI/4 DO Contadores/Temporizadores: 2 32 bits 80 MHz Tipos de Medida: Digital, Frecuencia, Codificadores de cuadratura, Voltaje 2 tarjetas PCI-6221 (68 pines) Entrada Analógica: 16 SE/8 DI 250 ks/s 16 bits Salida Analógica: ks/s 16 bits E/S Digital: 24 DIO 1 MHz Contadores/Temporizadores: 2 32 bits 80 MHz Tipos de Medida: Digital, Frecuencia, Codificadores de cuadratura, Voltaje 2 tarjetas PCI-6221 (37 pines) Entrada Analógica: 16 SE/8 DI 250 ks/s 16 bits Salida Analógica: ks/s 16 bits E/S Digital: 10 DIO 1 MHz Contadores/Temporizadores: 2 32 bits 80 MHz Tipos de Medida: Digital, Frecuencia, Codificadores de cuadratura, Voltaje Tabla 4.0. Posibles configuraciones Hardware para el PC. 17 Memoria

18 5. ESQUEMA GLOBAL DEL PROYECTO. A continuación se detalla de manera general la disposición de los dispositivos y el conexionado general de los mismos, más adelante se detallaran cada uno de los dispositivos siendo ellos los objetos de estudio. MAQUETA IPC-201c SEÑALES ANALOGICAS DE ENTRADA AL PC SEÑALES DIGITALES DE ENTRADA AL PC BLOQUE CONECTOR TARJETA DE GENERACION y ADQUISICION DE SEÑALES ANALOGICAS Y DIGITALES PC [Interface de usuario, controles PID implementados por programa ] SEÑALES ANALOGICAS DE SALIDA DEL PC SEÑALES DIGITALES DE SALIDA DEL PC Figura 4.3. Esquema global del proyecto. 18 Memoria

19 A continuación se detallan las entradas/salidas analógicas y digitales utilizadas así como la disposición del conexionado. Entradas analógicas: DEFINICION DE LOS CANALES DE ENTRADA ANALÓGICOS Numero de entrada Descripción Nombre del dispositivo Puerto Línea AI.1 Sensor de temperatura Pt100 del depósito central Esquerra (Dev1) 0 0 AI.2 Caudalímetro Esquerra (Dev1) 0 1 AI.3 Sensor de presión diferencial para el control de nivel del depósito central Esquerra (Dev1) 0 2 AI.4 Presión del ITV Esquerra (Dev1) 0 3 AI.5 Entrada Analógica reservada Esquerra (Dev1) 0 4 AI.6 Entrada Analógica reservada Esquerra (Dev1) 0 5 AI.7 Entrada Analógica reservada Esquerra (Dev1) 0 6 AI.8 Entrada Analógica reservada Esquerra (Dev1) 0 7 Las entradas analógicas se definieron como entradas diferenciales eso quiere decir que estas están conectadas de la manera que se detalla en la tabla 4.0. Estas entradas se definieron de manera diferencial para así poder eliminar las posibles perturbaciones que se le pueden inducir al propio cable debido a su recorrido, ya que es un conexionado más robusto que un referenciado a masa o un no referenciado a masa, de esta manera obtendremos una gran impedancia de entrada y podremos colocar una pequeña resistencia de 500ohms y 0.25W para poder adaptar las dos señales que provienen de los sensores de temperatura y presión diferencial en modo corriente y no voltaje para poder adaptar la señal, de esto se hablara en el apartado de acondicionamiento de señales. 19 Memoria

20 PIN + (Tarjeta) AI Positiva AI Negativa PIN - (Tarjeta) Tabla 4.0. Manera conectar las entradas Analógicas si se definen como diferencial. Modo de conectar las entradas analógicas Diagrama 4.0. Diferentes modos de conectar las entradas analógicas. 20 Memoria

21 Puesto que en este caso los sensores analógicos, de temperatura, nivel, caudal y presión están referenciados a masa, es posible conectaros de la manera que se indica en el diagrama 4.0. Salidas Analógicas: DEFINICION DE LOS CANALES DE SALIDA ANALÓGICOS Numero de entrada AO1 AO2 AO3 AO4 Descripción Consigna de presión de la ITV Consigna de la Válvula Proporcional Consigna de las Células Peltier Consigna de Velocidad de la Bomba Nombre del dispositivo Puerto Línea Dreta (Dev2) 0 0 Dreta Dev2) 0 1 Esquerra (Dev1) 0 0 Esquerra (Dev1) 0 1 Las salidas analógicas, tienen un rango de acción de 0 a 10v eso implica que los dispositivos a los que se excitan deben ser de este rango de actuación. Los rangos de actuación de los diferentes dispositivos actuadores don los siguientes: Controlador de presión ITV: este dispositivo necesita una consigna de 4 a 20mA para poder proporcionar mayor o menor presión para hacer que el líquido del depósito sea empujado hacia abajo y pueda ser transmitido a otro depósito. Al necesitar una consigna en intensidad es necesario hacer un cambio de escala de la señal de salida de la tarjeta de NI que actúa en tensión, para ello se utiliza un conversor I/V (DC) de 2 vías ISO FLEX. Este tema se tratara con más detalle en el apartado de acondicionamiento de señales. Válvula proporcional: este actuador funciona con una consigna de 0 a 10v abriendo más o menos la válvula podemos tener el control de flujo de líquido que sale del depósito, y por ende, se controla el flujo líquido que entra en otro depósito. Célula peltier: la célula peltier, es un componente que funciona con corriente continua, por ello es necesario poder controlar de forma eficaz la corriente que circula por ella, para ello se utiliza un modulado de ancho de pulsos (PWM) este modulador PWM requiere de una alimentación a 24V y de una consigna con un rango de entrada de 0 a 10v eso quiere decir que no es necesario hacer ningún tratamiento previo a la señal de salida de la tarjeta de NI. 21 Memoria

22 Bomba de corriente continua: la bomba, es un componente que funciona con corriente continua, por ello es necesario poder controlar de forma eficaz la corriente que circula por ella, para ello se utiliza un modulado de ancho de pulsos (PWM) este modulador PWM requiere de una alimentación a 24V y de una consigna con un rango de entrada de 0 a 10v eso quiere decir que no es necesario hacer ningún tratamiento previo a la señal de salida de la tarjeta de NI. Foto 5.0. Conversor V/I para conectar La consigna a la ITV. 22 Memoria

23 Entradas Digitales: DEFINICION DE LOS CANALES DE ENTRADA DIGITAL Numero de entrada Descripción Nombre del dispositivo Puerto Línea I1.0 Sensor de nivel máximo del depósito izquierdo Dreta (Dev2) 1 0 I1.1 Sensor de nivel mínimo del depósito izquierdo Dreta (Dev2) 1 1 I1.2 Sensor de nivel máximo del depósito central Dreta (Dev2) 1 2 I1.3 sensor de nivel mínimo del depósito central Dreta (Dev2) 1 3 I1.4 Sensor de nivel máximo del depósito derecho Dreta (Dev2) 1 4 I1.5 Sensor de nivel mínimo del depósito derecho Dreta (Dev2) Memoria

24 Salidas Digitales: DEFINICION DE LOS CANALES DE SALIDA DIGITAL Numero de salida Descripción O0.00 Válvula del acumulador O0.01 Ventilador O0.02 Válvula de la bomba O0.03 Mezclador O0.04 Válvula de vaciado del depósito izquierdo O0.05 Válvula de llenado del depósito izquierdo O0.06 Válvula de vaciado del depósito central O0.07 Válvula de vaciado del depósito central O0.09 Válvula de llenado del depósito derecho O0.10 Válvula presión in t3 O0.11 Invertir polaridad relé 2 y relé 3 O0.13 Activar relés 4, 5 O0.14 Activar relé 10 Nombre del dispositivo Dreta (Dev2) Dreta (Dev2) Dreta (Dev2) Esquerra (Dev1) Esquerra (Dev1) Esquerra (Dev1) Esquerra (Dev1) Esquerra (Dev1) Esquerra (Dev1) Esquerra (Dev1) Esquerra (Dev1) Esquerra (Dev1) Esquerra (Dev1) Puerto Línea Memoria

25 6. MODO DE FUNCIONAMIENTO DE LA MAQUETA IPC-201. A continuación se detalla el modo de funcionamiento de la maqueta de simulación IPC-201. En primera instancia cabe destacar que la maqueta puede ser controlada por un PCL Allen- Bradley y PID industriales Omron, como el objetivo del proyecto es realizar el control mediante un ordenador las partes que implementan el programa deberán ser capaces de controlar y visualizar el comportamiento de todas las variables analógicas y digitales del sistema, así como poder controlar y permitir solventar los posibles errores inherentes al sistema (como por ejemplo que un deposito llegue a nivel mínimo o máximo de liquido) dando aviso de ello dejando actuar en consecuencia. El sistema en general controlado por el PC funcionar de manera manual o automática De manera manual, se puede abrir un camino de paso de líquido de un depósito a otro, o en el caso del depósito central a él mismo, y darle una consigna al dispositivo actuador adecuado (bomba, ITV, Válvula proporcional). O bien calentar/enfriar el liquido del depósito central mediante la célula peltier, dándole un valor de tensión determinado y definiendo el modo de funcionamiento ya que puede calentar o enfriar el liquido contenido en el depósito. En este caso no interviene ningún tipo de control PID, por ello este modo de funcionamiento es indicado sobre todo para preparar el sistema previamente a realizar alguno de los controles que se realizan en el modo automático puesto que la supervisión en modo manual la realiza el propio usuario, igualmente y por seguridad lo único que el sistema supervisa, puede detectar y actuar en consecuencia es que alguno de los depósitos llegue a su nivel máximo o mínimo dando así una alarma. De manera automática, a diferencia de la manual, actúan los controles PID implementados, ellos comporta que el usuario pueda determinar un valor adecuado a cada una de las variables a controlar para así poder analizar el comportamiento y la respuesta del sistema en cada uno de los casos. Para poder realizar el control de alguna de las variables, es necesario elegir que variable quiere controlarse, dar valores a las constantes del PID implementado (KP=K*e(k), KI=KP/ti(k) y KD=KP*td(k)) y dar una consigna de set point para que el control sea realizado, después de introducir los valores seleccionados, es necesario dar al botón de Inicio para comenzar con el control para mayor información remitirse al apartado de utilización del programa. 25 Memoria

26 7. REGULACIÓN Y CONTROL DE LAS VARIABLES ANALÓGICAS Y DIGITALES. El control de las variables analógicas se centra única y exclusivamente en el depósito central, ya que en él se hallan concentrados todos los sensores necesarios para poder realizar el control, sea de nivel, temperatura o caudal. De esta manera las señales digitales, se controlara de manera adecuada a este comportamiento, es decir centrándose en el depósito central, si el programa está en modo automático. En modo manual, se puede controlar cada una de las variables analógicas y/o digitales por separado Control de nivel del depósito central El nivel a controlar, como ya se ha dicho, es el del depósito central, este puede controlarse en subida o bajada, para poder controlar el nivel de liquido se utiliza un sensor de presión diferencial baja, de la serie PSE550 de SMC que dispone de dos entradas de presión, una de baja presión y una de alta presión en las que se deberán introducir las presiones correspondientes para poder medir el nivel de liquido dentro del depósito, este presostato requiere de un controlador de la serie PSE300 también de SMC para poder parametrizar los rangos de trabajo y el modo de funcionamiento ya que este dispone de varios modos de funcionamiento. Modos de funcionamiento del presostato diferencial: Modo compuesto (Compound +-101kPa). Modo vacio (Vacuum -101kPa). Modo de baja presión (Low Pressure 100kPa). Modo de presión diferencial baja (Low differential 2kPa). Modo de presión positiva (Positive 500kPa). Modo de presión positiva (Positive 1MPa). Modo de funcionamiento seleccionado Grafica 7.0. Modos de funcionamiento del presostato. 26 Memoria

27 Para poder realizar el control de nivel, es necesario conectar el presostato con una entrada a presión atmosférica (entrada de baja presión) y la otra midiendo la presión en el fondo del depósito (entrada de alta presión). De esta manera y parametrizando el presostato para que mida la presión diferencial baja (LOW DIFFERENTIAL) es posible calcular el nivel por medio de la ley de pascal puesto que la presión en el fondo del depósito es directamente proporcional al nivel en metros de líquido dentro del depósito. De esta manera podemos calcular el nivel de líquido en el depósito central. Cálculos para poder realizar el control de nivel: Por el principio de pascal que puede resumirse como: El incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible (líquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo. De esta manera se consigue la siguiente ecuación que es con la que se realiza el cálculo de nivel sabiendo la presión (Ecuación 7.0). P P0 g h Ecuación 7.0. Donde: P = Presión P0 = Presión inicial = Densidad del liquido g = aceleración de la gravedad h = altura de liquido (Nivel) De esta manera y definiendo P0 como presión atmosférica y teniendo en cuenta que el presostato esta parametrizado para medir la presión diferencial este término puede considerarse nulo, ya que si el presostato tiene la misma presión, en este caso la atmosférica, en sus dos entradas quiere decir que el depósito esta vacio. Por ello podemos simplificar la ecuación como: P g h Ecuación 7.1. Como en realidad lo que es necesario conocer el nivel (h) de liquido que se encuentra en el depósito sabiendo la diferencia de presión entre el interior del depósito y la atmosférica, podemos definir que P sea esta diferencia de presión y despejar h. P h g Ecuación Memoria

28 Con: P = presión diferencial medida con el presostato en pascales (Pa). *= densidad del liquido, en este caso agua en kg por metro cubico (al ser agua destilada 1000kg/m 3 ) g = aceleración de la gravedad en metros por segundo al cuadrado (9.81 m/s 2 ) h = altura de liquido en el interior del depósito en metros (m) *Teniendo en cuenta que la densidad del agua no varía excesivamente en el rango de temperatura de trabajo, no es necesaria definirla como función de la temperatura y puede dejarse como una constante. El presostato parametrizado adecuadamente, entrega una salida analógica que varía en un rango de de trabajo comprendido entre 1 y 5v para determinar una presión diferencial (diferencia de las presiones de entrada) comprendida entre 0 y 2kPa. Para poder definir una relación entre la tensión de entrada y la diferencia de presión dentro del depósito se utiliza la siguiente grafica: Grafica 7.1. Relación entre presión de entrada y Tensión de salida del presostato PSE550 Como para poder calcular el nivel de liquido dentro del depósito es necesario conocer la presión en el fondo del mismo, y al adquirir mediante el ordenador valores de tensión, es necesario implementar un programa que realice el escalado, es decir que realice el cambio de escala de tensión a presión y una vez calculado el valor de presión, hacer el cálculo del nivel en el depósito. El tener una respuesta y relación entre presión y tensión lineal solo hace falta definir la ecuación de la recta y realizar los cálculos dependiendo de los valores de entrada al ordenador Vi. Ecuación de una recta: Y mx b Ecuación 7.3. Ecuación de una recta 28 Memoria

29 Con: Y = punto de la recta. m = Pendiente de la recta. x = Punto definido para calcular y. b = Termino independiente. En este caso, se sabe el punto Y de la recta es decir que la tensión de entrada Vi es Y (Y=Vi), el termino independiente es el offset de la señal, en este caso 1, y la pendiente es fácilmente calculable. Calculo de la pendiente: a m c Ecuación 7.4. Pendiente de la recta Una vez sabiendo cuales son las variables y cuál es la incógnita solo queda despejar de la ecuación la incógnita e implementar el programa (en adelante VI) para realizar el cálculo del nivel en el depósito. Y mx b vi m p b Ecuación 7.5. Cambio de nomenclatura. Para la implantación. Con: vi = tensión de entrada a la tarjeta. p = presión correspondiente a vi. b = termino independiente en este caso offset de 1V. Despejando la incógnita p, se obtiene la ecuación a implementar. p vib m vi Ecuación 7.6. Calculo de la presión En función de la tensión de entrada. 29 Memoria

30 Una vez calculada la presión se procede a calcular el nivel de liquido en el depósito según el principio de pascal, en este caso las unidades del nivel de liquido vienen dadas en metros, por ello y debido a la capacidad de los depósitos es necesario pasar el nivel a centímetros ya que es la unidad que mejor se ajusta a las dimensiones del depósito. En la figura 7.0. Se muestra el código en labview implementado para la realización del escalado para poder visualizar en el panel de usuario el nivel en el depósito central. Figura 7.0. Código de escalado implementado en labview. Para poder hacer el control de nivel, se opta por utilizar la señal de entrada analógica directamente sin escalado, es decir que se lee directamente la entrada de la tarjeta, esto se decidió de esta manera para poder tener mayor precisión para realizar el control, que se implementa mediante un PID, para más detalle ver el apartado de Lazos de control implementados, para ello es necesario escalar la consigna que viene dada en centímetros para no confundir al usuario a un nivel de tensión, para ello se implemento el código de la figura 7.1. Para poder escalar la señal. 30 Memoria

31 Figura 7.1. Código en labview para el escalado Del set point en cm a un nivel de tensión. El control del nivel del depósito central puede realizarse de diferentes maneras, este puede controlarse en subida (es decir aumentando el nivel) o en bajada (es decir disminuyendo el nivel), de esta manera es necesario poder definir de cuál de los depósitos laterales debe transvasarse el liquido si el control se hace en subida o a cuál de los depósitos laterales debe transvasarse el liquido si el control se hace en bajada. Para ello se introduce un selector en el interface de usuario que permite elegir cualquiera de las combinaciones de transvase posibles. A continuación se detallan las opciones de transvase de líquido para realizar el control del nivel en subida y en bajada: Subida Del depósito izquierdo al central Del depósito derecho al central Bajada Del depósito central al izquierdo Del depósito central al derecho. Para cada una de las opciones se utilizan diferentes actuadores a continuación se detallan cuales son los actuadores así como el rango de entrada de la consigna y como están conectados. 31 Memoria

32 Control de nivel en subida: Transvase de liquido del depósito lateral izquierdo al central: para realizar el transvase del depósito izquierdo al central se utiliza el transductor electroneumático ITV1000 (que en adelante lo denominaremos ITV). Para que el transvase de liquido se produzca hay que darle una consigna que será controlada por el PID implementado y la ITV inyectara presión para que el liquido baje y se vierta en el depósito central, a medida que el nivel del depósito se acerque al nivel deseado se irá enviando menos consigna a la ITV y por ende se inyectara menos presión, de esta manera controlaremos la consigna de la ITV en función del nivel de liquido del depósito central. El principal inconveniente es que la tarjeta de adquisición de datos PCI 6221 de NI solo entrega salidas analógicas en modo tensión y la ITV admite una entrada en modo intensidad (4-20mA) para poder solventar este inconveniente se optó por utilizar un conversor V/I que pasara el rango de salida analógica de la tarjeta que es de 0-10V a el rango de intensidad requerido por la ITV que es de 4-20mA. Al ser un sistema controlado en modo automático, previamente a realizar el control y a dar las señales de consigna, se debe establecer el estado adecuado del sistema para poder realizar el control, esto quiere decir que deben cumplirse una serie de condiciones como tener las electroválvulas correspondientes abiertas, saber el nivel en cada momento, y realizar el control PID. Transvase de liquido del depósito lateral derecho al central: para realizar el transvase de liquido del depósito lateral derecho al central, se utiliza una electroválvula proporcional, esta abre o cierra el paso de liquido dependiendo del valor de la consigna de su entrada, en este caso el conexionado es directo puesto que la electroválvula proporcional requiere una entrada de consigna de 0-10V y como la tarjeta PCI-6221 de NI ya da ese rango de tensión en sus salidas analógicas es directo, así a medida que el nivel del depósito se acerque al nivel deseado se irá enviando menos consigna a la electroválvula proporcional. Al ser un sistema controlado automáticamente, previamente a la realización del control se deben cumplir una serie de condiciones, como tener las electroválvulas correspondientes abiertas, saber el nivel en cada momento, y realizar el control PID. Control del nivel en bajada: Del depósito central al depósito izquierdo: en este caso el control de nivel es en bajada, para poder extraer liquido del depósito central se utiliza una motobomba con una consigna de entrada de 0-10V por esa razón es perfecta ya que es exactamente el rango de tensión de salida de la tarjeta PCI-6221 de NI. Para realizar este control no hay más que controlar mediante el PID la tensión de entrada de la motobomba, así a 32 Memoria

33 medida que el nivel del depósito se acerque al nivel deseado se irá enviando menos consigna a la motobomba. Al ser un sistema controlado automáticamente, previamente a la realización del control se deben cumplir una serie de condiciones, como tener las electroválvulas correspondientes abiertas, saber el nivel en cada momento, y realizar el control PID. Del depósito central al depósito derecho: en este caso el control de nivel es en bajada, para poder extraer liquido del depósito central se utiliza una motobomba con una consigna de entrada de 0-10V por esa razón es perfecta ya que es exactamente el rango de tensión de salida de la tarjeta PCI-6221 de NI. Para realizar este control no hay más que controlar mediante el PID la tensión de entrada de la motobomba, así a medida que el nivel del depósito se acerque al nivel deseado se irá enviando menos consigna a la motobomba. Al ser un sistema controlado automáticamente, previamente a la realización del control se deben cumplir una serie de condiciones, como tener las electroválvulas correspondientes abiertas, saber el nivel en cada momento, y realizar el control PID. De esta manera el usuario deberá introducir el nivel de líquido deseado en centímetros, elegir desde que deposito debe ser utilizado o a que deposito debe ser vertido, definir las constantes del PID (KP, KI y KD) y pulsar inicio. En la figura 7.2. Se muestra el panel frontal que el usuario debe utilizar. Figura 7.2. Interface de usuario. 33 Memoria

34 7.2. Control de temperatura Para poder controlar la temperatura del depósito central, se cuenta con una sonda de temperatura RTD del tipo Pt100 este tipo de sondas puede utilizarse tanto para mediciones en ambientes o en inmersión en líquidos, el rango de temperaturas que soporta la Pt100 utilizada es de 0ºc a 120ºc, obviamente no se utiliza todo el rango de temperaturas ya que por programa se limitara la temperatura desde 0ºc de temperatura minina a 60ºc de temperatura máxima, para así evitar situaciones extremas. Esta Pt100 está conectada a un cabezal amplificador del tipo KD de aluminio que da una salida en corriente de 4 a 20mA, para controlar todo el rango de temperaturas, así se puede obtener la relación entre intensidad y temperatura de manera lineal, es decir definiendo una recta, ya que la respuesta de la Pt100 es directamente proporcional a la temperatura y lineal ya que la resistencia viene definida por la ecuación 7.7. Ecuación 7.7. Calculo de la resistencia En función de la temperatura. Donde: R = Resistencia actual. R 0 = Resistencia 0ºc. = coeficiente de temperatura. Tª = temperatura actual. Tª 0 = temperatura de referencia. Las Pt100 son sensores de temperatura muy lineales en rangos de medición muy amplios, esto se debe a que están construidas en platino. Su nombre se debe a la que la resistencia a 0ºc así tendremos que la resistencia a 0ºc es de 100 A medida que la temperatura aumenta la resistencia interna de la sonda también lo hace de manera lineal. Para poder medir la diferencia de resistividad de la sonda a diferentes temperaturas, se utiliza el cabezal auto amplificado tipo KD que tiene en su interior un circuito que permite hacer el cambio de escala de variación de resistencia a variación de intensidad, este cabezal entrega un rango de intensidad de 4-20mA para poder realizar la medición de la temperatura. En la grafica 7.2. Se muestra la respuesta de la sonda en función de la temperatura, ya realizado el cambio de escala, es decir que se muestra la variación de intensidad en función de la variación de temperatura. 34 Memoria

35 Grafica 7.2. Grafica de la variación de intensidad En función de la variación de temperatura. Para poder medir la temperatura con la tarjeta de adquisición de National Instruments, que solo admite entradas en tensión, es necesario hacer un circuito de cambio de escala (de intensidad a tensión) para ello se utilizo una resistencia de 500 conectada de manera que por ella circule la intensidad proveniente del cabezal amplificador de la Pt100 y pueda medirse en sus extremos la caída de tensión generada por el paso de dicha corriente, se utilizo una resistencia de 500 por el simple hecho de que con el rango de intensidad que da el cabezal amplificador, puede adaptarse fácilmente al rango de entrada de la tarjeta de adquisición, de esta manera se obtiene un rango de tensión de 2-10V con un paso de corriente de 4-20mA. Para ver el detalle consultar el Anexo A, esquemas eléctricos. En la grafica 7.3. Se muestra la grafica de variación de la caída de tensión en la resistencia variando la temperatura. Grafica 7.3. Grafica de la variación de tensión En función de la variación de temperatura. 35 Memoria

36 Al ser de respuesta lineal, para poder calcular la temperatura, es decir realizar el cambio de escala de tensión a temperatura, se utiliza la ecuación de una recta (igual que en el cálculo del nivel). En este caso la conversión es directa y no hace falta más que cambiar de unidad. En la ecuación 7.8. Se muestra la ecuación de una recta. Y mx b Ecuación 7.8. Ecuación de una recta Con: Y = punto de la recta. m = Pendiente de la recta. x = Punto definido para calcular y. b = Termino independiente. En este caso, se sabe el punto Y de la recta es decir que la tensión de entrada Vi es Y (Y=Vi), el termino independiente es el offset de la señal, en este caso 2, y la pendiente es fácilmente calculable. Calculo de la pendiente: a m c Ecuación 7.9. Pendiente de la recta Una vez sabiendo cuales son las variables y cuál es la incógnita solo queda despejar de la ecuación la incógnita e implementar el programa (en adelante VI) para realizar el cálculo de la temperatura del liquido contenido en el depósito central. Y mxb vi mt b Ecuación Cambio de nomenclatura. Para la implantación. Con: vi = tensión de entrada a la tarjeta. T = temperatura correspondiente a vi. b = termino independiente en este caso offset de 2V. Despejando la incógnita T, se obtiene la ecuación a implementar. 36 Memoria

37 T vib m vi Ecuación Calculo de la temperatura En función de la tensión de entrada. Una vez conseguida la ecuación a implementar solo queda implementar el VI en labview. En la figura 7.3 se muestra el código implementado en labview, este código además de implementar el cambio de escala de tensión a temperatura, realiza exactamente lo contrario, teniendo en cuenta que se debe ser capaz de convertir de tensión a temperatura y de temperatura (consigna o set point) a tensión para poder realizar el control. Figura 7.3. Código implementado en labview para el escalado de Tensión a temperatura y temperatura a tensión. El actuador para realizar el control de temperatura es una célula peltier, esta célula tiene dos modos de trabajo, uno es calentando y el otro enfriando, obviamente invirtiendo la polaridad. En este caso se opto por poder controlar la temperatura de un solo modo a la vez, elegido por el usuario, es decir que el usuario determina si quiere controlar la temperatura calentando el liquido, o si la quiere controlar enfriándolo, para que el sistema se caliente/enfríe uniformemente se dispone de un mezclador al cual solo hay que darle una señal digital de inicio y mantenerla hasta que termine el proceso de calentamiento/enfriamiento del liquido, este mezclador se inicia comenzar el control y no para hasta que el usuario decida que el control se realizo con éxito, esto es así para que al terminar el control de temperatura, es decir cuando la temperatura es igual a la consigna, el liquido se enfríe más fácilmente puesto que al ser un banco de prácticas es interesante ver como el control PID actúa ante variaciones dl sistema. 37 Memoria

38 Esta célula peltier trabaja en un rango de tensión de 0-10V por ello es perfecta ya que no debe hacerse ningún tratamiento previo a la señal analógica de consigna para poder hacerla funcionar Control de Caudal. El control de caudal se realiza mediante un sensor de caudal o flujostato, del tipo PF2W de SMC, este flujostato dispone de un rango de medición de 1.7l/min a 17l/min. Este flujostato entrega una salida analógica en intensidad de 4 a 20mA. La respuesta del flujostato es directamente proporcional y lineal, por ello es fácilmente calculable cualquier flujo representado por cualquier valor de tensión dentro del rango de medición mediante la ecuación de una recta. Para poder medir el flujo de liquido con la tarjeta de adquisición de National Instruments, que solo admite entradas en tensión, es necesario hacer un circuito de cambio de escala (de intensidad a tensión) para ello se utilizo una resistencia de 500 conectada de manera que por ella circule la intensidad proveniente flujostato y pueda medirse en sus extremos la caída de tensión generada por el paso de dicha corriente, se utilizo una resistencia de 500 por el simple hecho de que con el rango de intensidad que da el flujostato, puede adaptarse fácilmente al rango de entrada de la tarjeta de adquisición, de esta manera se obtiene un rango de tensión de 2-10V con un paso de corriente de 4-20mA. Para ver el detalle consultar el Anexo A, esquemas eléctricos. En la grafica 7.4. Se muestra la variación de la caída de tensión en la resistencia variando el flujo. 38 Memoria

39 Grafica 7.4. Grafica de la variación de tensión En función de la variación del caudal. Al ser de respuesta lineal, para poder calcular el caudal, es decir realizar el cambio de escala de tensión a caudal, se utiliza la ecuación de una recta. En este caso la conversión es directa y no hace falta más que cambiar de unidad. En la ecuación Se muestra la ecuación de una recta. Y mx b Ecuación Ecuación de una recta Con: Y = punto de la recta. m = Pendiente de la recta. x = Punto definido para calcular y. b = Termino independiente. En este caso, se sabe el punto Y de la recta es decir que la tensión de entrada Vi es Y (Y=Vi), el termino independiente es el offset de la señal, en este caso 2, y la pendiente es fácilmente calculable. Calculo de la pendiente: 39 Memoria

40 a m c Ecuación Pendiente de la recta Una vez sabiendo cuales son las variables y cuál es la incógnita solo queda despejar de la ecuación la incógnita e implementar el programa para realizar el cálculo del caudal de líquido que fluye. Y mxb vi mc b Ecuación Cambio de nomenclatura. Para la implantación. Con: vi = tensión de entrada a la tarjeta. C = caudal correspondiente a vi. b = termino independiente en este caso offset de 2V. Despejando la incógnita C, se obtiene la ecuación a implementar. vib C m vi Ecuación Calculo del flujo En función de la tensión de entrada. Una vez conseguida la ecuación a implementar solo queda implementar el VI en labview. En la figura 7.4. Se muestra el código implementado en labview, este código además de implementar el cambio de escala de tensión a caudal, realiza exactamente lo contrario, teniendo en cuenta que se debe ser capaz de convertir de tensión a caudal y de caudal (consigna o set point) a tensión para poder realizar el control. 40 Memoria

41 Figura 7.4. Código implementado en labview para el escalado de Tensión a caudal y caudal a tensión. Por cuestiones de seguridad se decidió que el control de caudal se realice sacando liquido del depósito central y vertiéndolo en el mismo depósito central, de esta manera puede hacerse un control de caudal por tiempo ilimitado ya que no hay peligro de que el depósito pueda quedarse sin liquido de esta manera el liquido es movido por la motobomba y esta será controlada por el PID que dará más o menos consigna a la bomba para poder controlar el flujo medido por el flujostato. 41 Memoria

42 7.4. Lectura de presión del depósito lateral izquierdo La lectura de la presión en el depósito lateral izquierdo solo se realiza con el fin de informar al usuario el valor de dicha presión ya que en este caso no se controla ni se pretende controlar la presión en dicho depósito, por ese motivo se hará una breve descripción del proceso y solo se dará en forma de matiz el modo de funcionamiento. Por este motivo parecería que la presión carece de importancia, ya que no se controla, pero en realidad la importancia de saber la presión en cada instante, se centra en que para transvasar liquido del depósito izquierdo a cualquiera de los otros dos depósitos de realiza inyectando presión mediante un controlador ITV, que es capaz de medir la presión y actuar frente a posibles perturbaciones, dicho controlador entrega una salida analógica con un rango de actuación de 1 a 5V que nos permite saber qué presión hay en ese preciso instante dentro del depósito. La variación de la tensión de salida es directamente proporcional y lineal a la presión de este modo podremos calcular mediante la ecuación de una recta la presión para cualquier valor de tensión entregado por el controlador ITV. De esta manera obtenemos la grafica 7.5 que relaciona la presión interior del depósito con el nivel de tensión entregado por el controlador. Grafica 7.5. Grafica en %del fondo de escala para Leer la presión. Por ello para poder realizar el escalado de la presión es necesario calcular la pendiente de la recta y después implementar el código que realice el escalado a continuación se muestra la ecuación de la recta y la ecuación que se utilizó para implementar el código. 42 Memoria

43 a m c Ecuación Cálculo de la pendiente de la recta Y mxb vi m P b Ecuación Cambio de nomenclatura. Para la implantación. Con: vi = tensión de entrada a la tarjeta. P = presión correspondiente a vi. b = termino independiente en este caso offset de 1V. Despejando la incógnita P, se obtiene la ecuación a implementar. vi b P m vi Ecuación Calculo de la presión En función de la tensión de entrada. Una vez conseguida la ecuación a implementar solo queda implementar el VI en labview. En la figura 7.5. Se muestra el código implementado en labview, este código además de implementar el cambio de escala de tensión a presión, realiza exactamente lo contrario, aunque en este caso el escalado de la presión deseada a un nivel de tensión carece de importancia puesto que no se pretende controlar la presión así mismo el código está implementado para una posible ampliación del comportamiento del sistema en un futuro. Figura 7.5. Código implementado en labview para el escalado de Tensión a presión y presión a tensión. 43 Memoria

44 8. GESTION DE VARIABLES DIGITALES. Como en todos los sistemas complejos de control es necesario gestionar de una manera adecuada las señales analógicas y digitales en este apartado se explicará de manera general como se gestionan las señales digitales, además de explicar porque se utiliza esta metodología en lugar de cualquier otra y como se adaptan las señales para poder realizar la lectura y para adaptarlas a los niveles de tensión de los actuadores Metodología de gestión de las variables digitales (DIOS). Las variables digitales son leídas desde la tarjeta de adquisición de datos PCI-6221 y escritas en la misma, hay varias opciones de lectura/escritura de las variables digitales para la realización de este programa se utilizo una metodología de lectura/escritura continua para no perder nunca ninguna variable. En este caso las variables digitales pueden configurarse de manera independiente o conjunta, de manera independiente pueden definirse en un mismo puerto entradas y salidas mientras que de manera conjunta solo pueden definirse una sola dirección, por este motivo y sabiendo que era necesario poder configurar un mismo puerto con entradas y salidas se opto por hacer la configuración individual de cada uno de los bits de cada uno de los puertos de las tarjetas de adquisición, así mismo para que la configuración sea fácilmente editable y optimizada se opto por generar un fichero de configuración llamado Dios Definition.ini en el que se definen todos los canales de entrada/salida así como la disposición lógica (lógica negativa o positiva) de que debe dotarse al ser configurado, a partir de aquí el programa debe ser capaz de leer e interpretar cada uno de los campos del fichero de configuración y así poder configurar tal y como están definidos en este cada uno de los bits de cada uno de los puertos de las diferentes tarjetas de adquisición de datos. Este fichero de configuración consta de diversos campos que deben ser definidos de forma correcta y concreta para que sea totalmente funcional, por otra parte al no tener que tocar código, si se deben cambiar las tarjetas de adquisición por otras diferentes, siempre que sean de NI y que sean DAQmx y no tradicionales el programa será capaz de configurar los canales digitales tal y como están definidos en el programa. Hay diferentes maneras de realizar las operaciones de lectura y escritura de las variables digitales, en este caso se opto por hacer la configuración de todos los canales de entradas/salidas digitales en el principio del programa, manteniéndolos configurados durante la ejecución del mismo, escribir y leer cuando sea necesario y cerrar todos los canales digitales al salir de la aplicación, de este modo y puesto que el número de canales es reducido la lectura/escritura de los canales digitales se realiza en un tiempo casi inmediato ya que en este caso se están escribiendo cuando hay variables a escribir y se leen continuamente, en un bucle que está activo mientras el programa esta ejecutándose, este bucle tiene un tiempo de ejecución de 50ms lo que permite no saturar el sistema y realizar una actualización de todos los canales de forma prácticamente inmediata. 44 Memoria

45 A continuación se muestra el fichero de configuración empleado: Dios Definition.ini [TAG];[Description];[Logic];[Type];[Address];[Delay] Max_Level_T1;Maxim Level of tanck 1;Default;In;Dreta/port1/line0;0 Min_Level_T1;Minim Level of tanck 1;Invert;In;Dreta/port1/line1;0 Max_Level_T2;Maxim Level of tanck 2;Default;In;Dreta/port1/line2;0 Min_Level_T2;Minim Level of tanck 2;Invert;In;Dreta/port1/line3;0 Max_Level_T3;Maxim Level of tanck 3;Default;In;Dreta/port1/line4;0 Min_Level_T3;Minim Level of tanck 3;Invert;In;Dreta/port1/line5;0 Accumulator_Valve; Monoestable Valve Accumulator tank;default;out;dreta/port1/line6;0 Fan;Fan DC;Default;Out;Dreta/port1/line7;0 Filling_Pump_Valve;Filling Pump Mono Valve;Default;Out;Dreta/port0/line0;0 Mixer;Mixer;Default;Out;Dreta/port0/line1;0 Emptying_T1_Valve;Empting t1 liquit valve;default;out;esquerra/port1/line0;0 Filling_T1_Valve;Filling t1 liquit valve;default;out;esquerra/port1/line1;0 Emptying_T2_Valve;Empting t2 liquit valve;default;out;esquerra/port1/line2;0 Filling_T2_Valve;Filling t2 liquit valve;default;out;esquerra/port1/line3;0 Pressure_T3;Empting t3 liquit pressure Actuator;Default;Out;Esquerra/port1/line4;0 Filling_T3_Valve;Filling t3 liquit valve;default;out;esquerra/port1/line5;0 Invert_Polarity;invert polarity Activat R2 R3;Default;Out;Esquerra/port1/line6;0 E5CN_Sensors_In;Activate R6 R7 R8 R9;Default;Out;Esquerra/port1/line7;0 E5CN_Index_0_AV_M;Activate R4 R5;Default;Out;Esquerra/port0/line0;0 E5CN_Index_1_ITV;Activate R10;Default;Out;Esquerra/port0/line1;0 Cada uno de los campos que están definidos en el fichero de configuración tiene una utilidad y una explicación lógica, a continuación se detallan las funciones de cada uno de los campos del fichero: TAG: el TAG es el nombre que se le da a la señal digital en cuestión para poder hacer referencia a la misma, este tag permite hacer referencia dentro del programa para poder leer o escribir una determinada señal digital. DESCRIPTION: es la descripción de la acción que cumple la entrada o salida digital. LOGIC: es la lógica que debe tomarse al hacer la configuración de la señal digital, por defecto es en lógica positiva, de otra manera seria en lógica negativa. TYPE: define el tipo de señal digital que se define, entrada (in) o salida (out). ADDRES: en este campo se defina la dirección física de cada una de las señales digitales, por ejemplo: Dreta/port1/line0 == Device_Name/portN/linen, hace referencia a una determinada tarjeta, un Puerto de la tarjeta y un bit determinado de la tarjeta. DELAY: este campo sirve para introducir un determinado retraso a la lectura/escritura de la señal digital concreta. En este caso no fue necesario introducir ningún retraso. 45 Memoria

46 8.2. Filosofía de gestión programática de las DIOS. A partir de aquí se explicara la implementación del código de configuración y de lectura/escritura de las señales digitales. En la figura 8.0 se ve de forma general como esta implementado el código y como solo se configuran y cierran una vez las variables digitales, este trozo de código pertenece a un código más extenso que será explicado en el apartado de explicación de la filosofía de programación, este código en particular pertenece al denominado Main_Panel_User_In.vi, que es el código general de gestión de prácticamente todo el sistema. Configuración de las digitales Bucle de lectura/escritura Figura 8.0. Gestión de las variables digitales. En labview, pueden ejecutarse códigos en paralelo, por esta razón es importante implementar los códigos de manera que no se pierdan datos, esta explicación fundamente el hecho de utilizar una cola de datos en la cual se guardan los estados de las señales digitales a escribir y que luego serán extraídos de forma ordenada (no es más que una memoria FIFO) en el bucle de escritura de las salidas digitales, de esta manera no se pierden ni sobre escriben las señales digitales, como si por ejemplo se escribiera en el mismo instante de tiempo la misma salida digital con dos estados diferentes solo se escribiría uno y el otro se perdería, sin embargo al utilizar una cola de datos esto no sucede, si bien es cierto que se escribirán los dos estados, uno de ellos, el último en ser escrito en la cola, es el que predominará. Por otro lado las señales de entrada digital, se leerán y se guardaran en una memoria la cual se actualiza cada 50ms por ello se pueden leer de manera rápida todas las señales de entrada digital. 46 Memoria

47 Inicialización de las memorias Set de las salidas digitales a OFF Inicializar escritura de salidas digitales Memoria para los TAGs Lectura del fichero de configuración Configuración de las digitales Inicializar/crear cola de datos Inicializar lectura entradas digitales Inicializar escritura salidas digitales Figura 8.1. Código del VI de configuración de las señales digitales. Una vez configuradas las señales digitales (en adelante DIOs) ya pueden leerse y escribirse, para ello se opto por la utilización de un bucle que realiza las funciones de escritura y lectura. En la figura 8.2. Se muestra el código del vi que realiza dichas funciones. Lectura de las entradas Escritura de las salidas Memoria de estados de las DIOs Figura 8.2. Código de lectura escritura de DIOs. En este caso se ejecutan en paralelo la escritura y lectura de las DIOs en la figura 8.3. se muestra el cogido de escritura de las salidas digitales y en la 8.4. Se muestra el código de lectura de las entradas digitales. 47 Memoria

48 Registro de desplazamiento Indica si hay datos a escribir Toma los estados de DIOs a escribir Escritura de las señales Digitales Figura 8.3. Escritura de las salidas digitales. Al estar trabajando con colas de datos, solo es necesario escribir las salidas si y solo si hay datos a escribir en la cola, por esta razón se comprueba que la cola tiene datos a escribir, después de ello se extraen los datos de uno en uno (memoria FIFO) y se escriben en la tarjeta de adquisición de datos. A continuación se muestra el diagrama de flujo de la gestión de la escritura de las salidas digitales. INICIO DATOS EN COLA? SACAR DATOS DE LA COLA ESCRIBIR SALIDA DIGITAL FIN 48 Memoria

49 Como puede observarse en el código, las señales digitales se escriben de una en una, por esta razón es posible trabajar con una cola de datos que solo contenga una salida digital y solo se escribirá esta salida digital, si escribiéramos todo un puerto entero (normalmente 8 bits) deberíamos escribir todo el puerto con el estado deseado de las señales digitales, además debería recordar en qué estado deben estar todas las señales en el momento de escribir, por ello si solo se escribe una sola señal a la vez, solo hay que preocuparse por el estado de esta señal sin necesidad de tener en cuenta todas las pertenecientes a un puerto completo. Por otro lado el bucle While está forzado a que se ejecute una sola vez, esto se hace de esta manera porque se utiliza como una memoria, ya que el de desplazamiento guarda información de cómo es la cola de datos esta estructura se llama FGV (Functional Global Variable), de este modo puede ser inicializada la cola de datos y sin necesidad de pasársela como entrada esta ya está contenida en el código. A continuación se muestra el código de lectura de las entradas digitales: Registro de desplazamiento Lectura de entradas digitales Estados de las entradas digitales Figura 8.4. Lectura de las entradas digitales. 49 Memoria

50 En el caso de las entradas digitales se realiza una lectura continua utilizando una FGV para guardar la configuración de todas las estradas a leer, cabe destacar que como las señales digitales son totalmente programables también se puede leer el estado de las salidas digitales, aunque parezca contradictorio en este código se lee el estado de todas las señales digitales puesto que si es necesario hacer alguna comprobación en el momento de ejecutar un cierto código (como por ejemplo realizar el control de nivel) es posible saber si la señal ha sido activada en la tarjeta y no es necesario creer que si se ha escrito sin poder comprobarlo. Por otro lado las señales digitales leídas se guardan en una memoria que se actualiza cada 50ms esto permite realizar muchas consultas del estado de las señales sin necesidad de leerlas directamente haciendo que el código sea más optimo y rápido. A continuación se muestran y explican los diferentes casos de la memoria que también es una FGV y que permite almacenar y consultar el estado de las señales digitales Inicializar memoria. La inicialización de la memoria permite limpiarla de todos los estados remanentes y permite controlar cuando debe ser limpiada. 50 Memoria

51 8.6. Memoria de entradas digitales, escribir digitales a guardar. En el caso de la escritura (WRITE) lo que se hace es escribir los TAGs de las señales, así como los estados de ellas (obviamente deben estar en el mismo orden) así mismo se les hace un tratamiento, es decir además de guardar el estado en formato binario (true o false) se guardan en formato string (on/off) de esta manera puede enseñare por pantalla de ser necesario además del estado en binario como un mensaje (para poner un ejemplo, esto se utiliza en la pantalla de control manual de las DIOs), de esta manera pueden guardarse, TAG, Estado en binario y en string de cada una de las señales. Busca la posición TAGs de entrada Extrae el elemento Arrays de salida de datos Figura 8.7. Leer un conjunto determinado de DIOs. 51 Memoria

52 En el caso de no querer leer todas las señales digitales y solo nos interese leer alguna de ellas (pueden ser mas de una) se implemento el código de la figura 8.7. en el que se le entra un array de TAGs y es capaz de dar el estado de las señales digitales requeridas en este array de TAGs, el funcionamiento es muy simple, busca cada uno de las señales deseadas y da su estado en los arrays de salida de datos Leer todas las señales digitales. Este es el código más simple puesto que entrega el estado de todas las señales digitales sin filtrar. Después de tener implementado el código solo es necesario hacer una lectura/escritura continua de las variables digitales físicas, es decir la escritura/lectura directa a la tarjeta PCI de NI, teniendo en cuanta que solo se escribirán si hay datos en la cola y se leerán de manera continua, a partir de ese momento escribir los las variables de salida en la cola da datos y leerlas desde la memoria FGV que guarda todos los estados de las variables digitales. 52 Memoria

53 8.3. Escalado de las señales digitales. El principal problema en el momento de realizar el conexionado de las entradas y salidas digitales fue el rango tensiones que admite y genera las tarjetas de adquisición PCI-6221 de NI, y el rango de tensión de los sensores y actuadores, puesto que las tarjetas trabajan en un rango de 0-5V ya sean de entrada o salida digital y los sensores y actuadores trabajan en un rango de tensión de 0-24V puesto que son sensores y actuadores reales y que pueden encontrarse en cualquier aplicación industrial, por ello y como es lógico se tuvo que realizar una circuitería de cambio de escala tanto para las entradas como para las salidas, para poder realizar este cambio de escala se opto por utilizar tres baterías de relés de 8 relés cada una. Una de las cuales utiliza relés con bobinado de 24V en la que se conectaros los 6 sensores capacitivos de nivel máximo y mínimo para excitar la bobina de 6 relés y en los contactos normalmente abiertos se conectó una tensión proveniente de una fuente de alimentación de 5V para conectar directamente a la tarjeta de adquisición correspondiente. Para mayor información ver el Anexo A, esquemas eléctricos. Para poder solventar el problema con las salidas digitales se opto por la misma solución utilizando las otras dos baterías de relés, en este caso estos relés tienen un bobinado que se admiten un rango de activación muy amplio que va desde los 5V a los 24V para dar un nivel alto, es decir para que se exciten los relés, en este caso se conecta cada una de las salidas digitales al bobinado de cada uno de los relés, obviamente cada relé activara un actuador determinado, a partir de aquí el borne común contacto normalmente abierto se conecta a 24V y el otro extremo al actuador debido, de esta manera la tarjeta activa los relés y los relés activan a cada actuador. De esta manera se pueden controlar todos los actuadores y adquirir todas las señales digitales. Así mismo las tarjetas de adquisición quedan aisladas por completo de todos los actuadores y sensores. Para mayor información ver el Anexo A, esquemas eléctricos. Fuente de alimentación de 5V Baterías de relés para realizar el cambio de 5V a 24V para las salidas digitales Batería de relés para realizar el cambio de 24V a 5V para las entradas digitales Foto 8.0. Baterías de relés, para realizar el cambio de escala De las entradas y salidas digitales. 53 Memoria

54 9. GESTION DE VARIABLES ANALOGICAS. Como en todos los sistemas complejos de control es necesario gestionar de una manera adecuada las señales analógicas y digitales en este apartado se explicará de manera general como se gestionan las señales analógicas, además de explicar porque se utiliza esta metodología en lugar de cualquier otra Metodología de gestión de variables analógicas. La manera de gestionar las señales analógicas es muy parecida a la manera de gestionar las señales digitales pero con algunos matices bien diferenciados. Para poder optimizar el tiempo de lectura y escritura de las variables analógicas, puesto que deben ser escritas y leídas sin ningún retraso (intentando acercarse a un sistema de control en tiempo real) se prescinde de memorias y colas de datos, de esta manera se lee directamente desde las entradas y se escribe directamente en las salidas. A diferencia de los puertos de las señales digitales que por construcción pueden ser salidas o entradas los puertos analógicos tienen una dirección definida por construcción, es decir que las salidas son salidas y las entradas son entradas, sin poder configurarlas, lo que si se permite es configurar como se realizara la adquisición (señales referenciadas a masa, no referenciadas a masa o diferenciales). Por otro lado la gestión de las señales analógicas se plantea de la misma forma que la de las digitales, es decir que las entradas y salidas se configuran al inicio se leen y escriben durante la ejecución del programa, se ponen a cero previamente al cierre del programa, esto es así para que ninguna señal quede activa, y se cierran al finalizar el programa. En este caso para que la configuración sea fácilmente editable y optimizada se opto por generar un fichero de configuración llamado PCI_6221_Analog.ini en el que se definen todos los canales de entrada/salida así como los límites máximos de tensión que son soportados por la tarjeta de adquisición. En este fichero hay diferentes campos de datos que se explicaran a continuación además cabe destacar que se opto por separar las entradas y las salidas para poder optimizar el tiempo de leído del fichero y poder de esta manera configurarlas más rápidamente. 54 Memoria

55 PCI_6221_Analog.ini Tag Address Name Max_Value Min_Value Nominal_Value Ofsset Gain Units [A_Input_PCI_6221_Analog] Temperature_T2_Pt100 Esquerra/ai0 Temperature T ºc FLOW Esquerra/ai1 flow L/Min Level_T2 Esquerra/ai2 T2 Level Cm Pressure T1 Esquerra/ai3 Pressure Tank Bar [End_A_Input_PCI_6221_Analog] Tag Address Name Max_Value Min_Value [A_Output_PCI_6221_Analog] Set_Pressure_ITV Dreta/ao0 ITV Pressure Setpoint 10 0 Prop_Valve Dreta/ao1 Proportional Valve 10 0 Peltier_Celul Esquerra/ao0 Peltier Celul 10 0 Pump Velocity Esquerra/ao1 Pump Velocity 10 0 [End_A_Output_PCI_6221_Analog] TAG: el TAG es el nombre que se le da a la señal digital en cuestión para poder hacer referencia a la misma, este tag permite hacer referencia dentro del programa para poder leer o escribir una determinada señal digital. ADDRES: en este campo se defina la dirección física de cada una de las señales analógicas en este caso no hace falta definir si es entrada o salida puesto que estas están definidas por construcción de la tarjeta de adquisición, por ejemplo: Esquerra/ai0 == Device_Name/AnalogN input/outputn, hace referencia a una determinada tarjeta y una determinada entrada/salida analógica. NAME: es la descripción de la acción que cumple la entrada/salida analógica. MAX/MIN VALUE: son los límites de tensión que la tarjeta puede dar si es salida o recibir si es entrada. NOMINAL VALUE: es el valor nominal. OFSSET: es el ofsset que de ser necesario se dotara a la señal de entrada. GAIN: es la ganancia que de ser necesaria se le dotará a la señal de entrada. UNITS: son las unidades a las que se realizará el escalado de cada una de las señales, estas se utilizan para mostrar en la aplicación de control manual de las señales analógicas. 55 Memoria

56 9.2. Filosofía de la gestión programática de las señales analógicas. A partir de aquí se explicara la implementación del código de configuración y de lectura/escritura de las señales analógicas. En la figura 9.0 se ve de forma general como esta implementado el código y como solo se configuran y cierran una vez las señales analógicas, este trozo de código pertenece a un código más extenso que será explicado en el apartado de explicación de la filosofía de programación, este código en particular pertenece al denominado Main_Panel_User_In.vi, que es el código general de gestión de prácticamente todo el sistema. Configuración de las señales analógicas Memoria para guardar la configuración Figura9.0. Gestión de señales analógicas. Setea las salidas analógicas a un valor de 0V Cierra los canales analógicos Una vez configuradas las señales analógicas, tanto de escritura como de lectura, pueden ser leídas y escritas en cualquier punto del programa, de hecho aquí también se realiza una lectura continua de las señales de entrada analógicas pero no del mismo modo que en las digitales, en este caso es necesario leer las señales analógicas para poder mostrar en el panel de usuario las diferentes variables analógicas escaladas, además de leerlas para poder realizar el control PID puesto que la lectura de cada señal de entrada (sea nivel, temperatura o caudal) es la respuesta del sistema en cada instante de tiempo, por ello es necesario poder leerlas directamente de la tarjeta sin necesidad de introducir ningún retraso debido a la introducción de una memoria de datos o una cola, puesto que aunque pueda ser despreciable no deja de ser un retraso generado y que puede ser evitado fácilmente. A partir de aquí se explicará el código de configuración de las señales analógicas así como el de lectura y escritura. 56 Memoria

57 Inicialización de las memorias de configuración Guardar configuración Lectura del fichero de configuración y configuración de las señales analógicas Inicialización de la configuración en la lectura/escritura de las señales analógicas. Figura 9.1. Configuración de las señales analógicas Una vez configuradas las señales solo es necesario leerlas y escribirlas cuando sea necesario, a continuación se explicarán y mostraran como se realiza la lectura y escritura de las señales analógicas. Para leer las entradas analógicas se opto por guardar la configuración de todas las señales de entrada y leer solo las que son pedidas por, en este caso el código implementado dispone de una entrada en formato de array de strings que permite entrar los TAGs de las señales a leer y devuelve el valor de dichas señales. A continuación se muestra el código implementado para hacer la lectura de las señales analógicas. Figura 9.2. Código de lectura de las señales analógicas concretamente inicialización. En la figura 9.2. se muestra la primera acción que se realiza después de haber configurado las señales de entrada analógicas, lo se hace es inicializar, es decir borrar, el de las entradas analógicas que podría haber quedado con alguna configuración remanente. 57 Memoria

58 Figura9.3.Escribir y guardar configuración en memoria En la figura 9.3. se muestra el código para escribir la configuración (WRITE CONFIG) y guardarla en forma de memoria en el de desplazamiento, de esta manera una vez guardada la información el código es totalmente independiente y puede realizarse la lectura de cualquier señal sin necesidad de pasarle como entrada la configuración de las señales. Figura 9.4. Leer señales analógicas. 58 Memoria

59 En la figura 9.4. se muestra el código implementado para realizar la lectura de las entradas analógicas, en este caso solo hace falta entrar los TAGs que se quieren leer a través del array de strings llamado TAGS TO READ a partir de ese momento se buscará cual es la posición en la que se encuentra la configuración de cada una de las señales analógicas requeridas para leer y dará el valor ordenado por el array de salida llamado VALUES así como el nombre que se le da a cada variable obviamente ordenado en el array llamado NAME. Esto permite leer cualquier entrada digital sin más necesidad que saber el TAG de la señal que quiere leerse. La metodología utilizada para realizar la escritura de las salidas analógicas es muy similar a la empleada para realizar la lectura de las entradas, de esta manera se inicializa una memoria ( de desplazamiento) y se le entran los TAGs de las señales que deben escribirse, en forma de array de strings, y el código es totalmente independiente. A continuación se muestran los diferentes casos del código de lectura de las señales de salida analógicas. Figura 9.5. Inicialización de la memoria con los datos De la configuración de las salidas analógicas. En la figura 9.5. Puede observarse como se inicializa el de desplazamiento con los datos de configuración de las salidas analógica (TAG, Dirección, nombre, task, etc.) por este motivo el código es totalmente independiente una vez se haya inicializado con los valores de configuración correctos, de esta manera solo es necesario conocer el TAG de la salida analógica que quiere escribirse. 59 Memoria

60 Figura 9.6. Escritura de las señales analógicas. En este caso y como puede observarse en la figura 9.6. la escritura de las señales analógicas se realizan directamente en la tarjeta, solo se requiere saber y entrar el TAG y el valor a escribir en la salida, de este modo el código busca la conjuración de la analógica asociada a dicho TAG y escribe el valor. 60 Memoria

61 10. UTILIZACION DEL PROGRAMA. La utilización de la aplicación es bastante sencilla e intuitiva puesto que es en formato scada cuando se realizan las acciones en modo manual y en modo automático solo es necesario elegir el tipo de variable que se quiere controlar y dar los parámetros del PID para realizar el control, en este capítulo se explicara de forma general y a nivel de usuario cada parte de la aplicación y las opciones de control que se establecen en la misma Inicialización de la aplicación. La programación de la aplicación fue pensada para poder ser utilizada vía web, por ello se realizó de manera que esta pueda ser multilingüe, en este caso la aplicación fue dotada de una parte de código que permite traducir cada una de las pantallas y mensajes, así como los menús de la aplicación, finalmente la publicación web no se realizará puesto que es muy difícil poder controlar, ver cómo responde el sistema y sobretodo no forzar cada uno de los actuadores ni dejar que estos puedan quedar funcionando de manera indefinida (por ejemplo, el control de caudal que puede estar funcionando indefinidamente) así mismo se da la posibilidad de cambiar de idioma, por otro lado sí que se realiza la publicación web pero en un entorno de trabajo reducido, es decir en la red de área local del laboratorio donde se encuentra emplazada la maqueta. A continuación se muestran los diferentes pasos que el usuario verá cada vez que se inicie la aplicación, en la figura Se muestra la primera ventana que aparecerá al ejecutar la aplicación. Selección del idioma Botón de confirmación Figura Elección del idioma. En esta ventana, se da la posibilidad de elegir el idioma en el cual se iniciará la aplicación obviamente una vez inicializado es posible volver a elegir un idioma diferente. Después de haber elegido el idioma se procede a hacer la presentación del programa, en este caso es una ventana que puede ser cerrada haciendo un clic sobre ella o automáticamente después de 10 segundos en la figura 10.1 se muestra la presentación de la aplicación. 61 Memoria

62 Figura Presentación de la aplicación. Una vez hecha la presentación de la aplicación y por la propia estructura del programa es necesario chequear que las condiciones para poder ejecutarla son correctas, por ello es necesario verificar que los ficheros y carpetas necesarios para la ejecución de la aplicación existen así como verificar que las tarjetas de adquisición de datos existen y están preparadas para ser utilizadas sin ningún problema, por ello se programó un código que se encarga de gestionar y verificar que los ficheros, carpetas y tarjetas están en un estado optimo para poder realizar la ejecución, para que el usuario sepa que el programa está realizando comprobaciones se decidió enseñar de manera informativa el estado de cada una de las comprobaciones así como un mensaje que indica en qué estado de comprobación se encuentra. En la figura Se muestra la ventana que ve el usuario cuando se realiza la comprobación del sistema. 62 Memoria

63 Chequeo de ficheros y carpetas Chequeo de dispositivos de interface (tarjetas) Indicador del estado de la verificación Mensaje informativo del estado. Figura Verificación del estado del sistema. Después de haberse verificado el sistema y si este es correcto, se iniciará una pequeña guía de funcionamiento de la maqueta y utilización de la aplicación, en la que explica a grandes rangos las posibilidades de control que ofrece la maqueta, así como los diferentes actuadores y sensores que la componen y como se utiliza la aplicación. 63 Memoria

64 Imagen a mostrar Mensaje de explicación Cambiar de página Figura Pequeña guía de utilización. Botón de saltar las explicaciones Una vez pasada la guía de funcionamiento de la maqueta y la aplicación se inicia una aplicación de identificación por medio de usuario y contraseña, en ella debe elegirse un usuario e introducir la contraseña adecuada, en la figura Se muestra la interface de acceso que el usuario deberá utilizar. En ella pueden ir pasándose las imágenes y mensajes explicativos haciéndolos adelantar o retroceder con los botones de (Pg-Down) y (Pg-Up), así como saltar todas las explicaciones pulsando el botón de Escape o presionando en (Esc Skip). Selección del usuario Entrada de la contraseña Botones de acción Figura Panel de acceso para los usuarios. 64 Memoria

65 10.2. Interface de usuario. Una vez seleccionado el usuario y entrada la contraseña, si esta es correcta la aplicación se iniciará y aparecerá la ventana de usuario general. Pero si la contraseña no es correcta la aplicación se cerrara. La aplicación consta de diferentes regiones y partes de control, así mismo cada uno de los usuarios tendrá un nivel de acceso diferente, así un usuario del tipo administrador tendrá control absoluto de manera manual y directa de todos los actuadores, señales analógicas y señales digitales pudiéndolas controlar de manera individual y seteando directamente el valor de las mismas, así como poder dar de alta nuevos usuarios mientras que un usuario limitado solo tendrá el control manual de algunos actuadores y no podrá setear directamente el valor de ninguna señal así como tampoco podrá dar de alta nuevos usuarios. La interface de usuario dispone de dos pestañas de control una en la que se controla y visualizan las variables en modo de un scada, esta pestaña sirve sobre todo para interactuar con la maqueta de manera manual y otra en la que se pueden visualizar los gráficos de la consigna, la respuesta y las dos a la vez. En la figura Se muestra la pestaña en modo scada, mientras que el la figura Se muestra la pestaña de gráficos. Barra de mensajes Barra de menú contextual Variables de los controles PID Selector de automático/manu al Interface de usuario tipo Scada Barra de control Barra de estado Figura Interface de usuario, pestaña del scada. 65 Memoria

66 Selector de gráfica a visualizar Gráfica Leyenda de los gráficos Selector de los colores del gráfico Editor y control de cursores Figura Interface de usuario, pestaña de gráficos Barra de menú contextual. La barra de menú contextual consta de diferentes opciones de configuración de la propia interface de usuario como opciones de control de señales, usuarios y una pequeña ayuda. En este apartado se irán explicando cada una de las opciones que la barra de menú ofrece. Figura Barra de menú. 66 Memoria

67 Las opciones de que dispone la barra de menú son: Aplicaciones. Idiomas. Hardware. Resultados. Ayuda. Usuarios. A continuación se explican las diferentes opciones de que dispone cada una de las opciones de la barra de menú. Aplicaciones: en el menú de aplicaciones encontramos la opción de salir de la aplicación. Figura Menú de aplicaciones. Idiomas: en el menú de idiomas encontramos los diferentes idiomas que la aplicación soporta y en la que todas sus ventanas, mensajes de estado y mensajes de error pueden ser traducidos. En este caso el idioma seleccionado aparece tildado. Figura Menú de idiomas Menú de Hardware: en este menú tenemos dos opciones estás permiten abrir dos paneles uno que controla las variables digitales y el otro que controla las variables analógicas, una vez abiertos estos paneles no permiten utilizar la aplicación y son predominantes a los valores previos de control. Figura Menú de Hardware. Al presionar sobre panel DIOs (DIOS Panel) aparecerá el siguiente panel de control de variables digitales, en el pueden observarse los estados de las entradas y cambiar el valor de las salida con un doble clic sobre la señal que quiera cambiarse. 67 Memoria

68 Descripción de las salidas digitales Descripción de las entradas digitales Estado de las entradas Señales de entrada digitales Señales de salida digitales Estado de las salidas Figura Panel de control de señales digitales Botón de salida del panel Al presionar sobre panel Analógicas (Analog Panel) aparecerá el siguiente panel de control de variables analógicas, en una de sus pestañas pueden observarse los valores de las señales de entrada con su correspondiente escalado, en la otra pestaña pueden definirse los valores de las señales de salida y estas tomaran el valor después de apretar el botón de Refresco (Update). 68 Memoria

69 Control de pestañas Valor escalado de las entradas Descripción de las entradas analógicas Valor de las entradas Botón de salida del panel Figura Panel de señales analógicas, entradas analógicas. Botón de refresco Descripción de las salidas analógicas Valor a dotar a las salidas analógicas Botón de salida del panel Figura Panel de señales analógicas, salidas analógicas. Al presionar sobre la opción de resultados (results) aparecerá una aplicación que recupera los resultados que han sido guardados previamente, esta aplicación permite analizar las respuestas de los diferentes controles realizados. 69 Memoria

70 Gráfica Selector de graficas a visualizar Leyenda de los gráficos Selector de los colores del gráfico Editor y control de cursores Figura Visor de gráficos. Botón de salida del panel En este panel como puede observarse hay múltiples opciones de configuración tanto se del grafico como de los cursores que por defectos hay dos ya creados uno que apunta al set point y el otro a la respuesta del sistema, por otro lado para poder seleccionar una grafica a visualizar se utiliza la lista que aparece a la derecha de la ventana, en ella se listan todos los datos guardados ordenados por nombre, el nombre está formado de la siguiente manera fecha_ hora_nombrerespuesta.txt. De esta manera al ordenar los datos por nombre también los ordenamos por fecha, además el usuario puede seleccionar visualizar el grafico de cualquier respuesta haciendo doble clic sobre la opción deseada y esta quedará seleccionada y marcada de azul. 70 Memoria

71 Al presionar sobre la opción de ayuda (help) aparecerán dos opciones una que hace referencia a la aplicación y otra que abre la guía de utilización de la aplicación, esta guía es la misma que aparece al inicializar la aplicación. Figura Menú de ayuda. Al presionar sobre Acerca del Software (About Software) aparecerá la presentación de la aplicación y al presionar sobre Pequeña Guía (Quick Guide) aparecerá la guía de utilización de la aplicación. Figura Acerca del software (presentación) 71 Memoria

72 Imagen a mostrar Mensaje de explicación Cambiar de página Figura Pequeña guía de utilización. Botón de saltar las explicaciones Al pulsar sobre la opción de Usuarios (Users) se abrirá una aplicación de gestión de usuarios, el ella pueden darse de alta y borrar usuarios. Usuario seleccionado Borrar usuario seleccionado Crear usuario Seleccionar usuario Salir Figura Interface de usuario. Borrar usuario seleccionado: esta opción permite borrar el usuario seleccionado. Al pulsarlo saldrá un mensaje de confirmación en el que se deberá confirmar o cancelar el borrado del usuario. 72 Memoria

73 Mensaje Aceptar Cancelar Figura Mensaje de Confirmación. Previamente a borrar un usuario es necesario seleccionarlo para ello es necesario pulsar sobre el botón de Seleccionar Usuario (Select User), después de presionar aparecerá una ventana que permitirá seleccionar un usuario. Selector de usuarios Aceptar Figura Seleccionar usuario. Al presionar en ADD New User (Crear nuevo usuario) aparecerá una ventana en la que se podrá editar el nuevo usuario en ella se define el nombre de usuario la contraseña y el nivel de acceso que tendrá, en este caso pueden ser dos niveles de usuario, administrador, que tiene acceso total a la aplicación y usuario limitado que tiene acceso restringido a la aplicación, en este último caso el usuario no podrá llenar los depósitos desde el acumulador, no podrá gestionar usuarios ni utilizar los paneles de señales digitales y analógicas. 73 Memoria

74 Nombre de usuario Aceptar Contraseña Confirmación de la contraseña Figura Crear usuario. Elección del nivel de acceso Cancelar Opciones de control de la interface de usuario. La interface de usuario se divide en dos pestañas las cuales tienen una utilizad diferente y un manejo diferenciado, una de ellas es la pestaña de control tipo scada, y la otra es la pestaña de visualización de gráficos. Además la aplicación puede utilizarse en dos modos diferentes, en modo manual y en modo automático. Pestaña de control tipo scada: esta pestaña es útil para trabajar en modo manual, puesto que desde ella pueden controlarse todos los actuadores del sistema, en ella podemos encontrar una representación grafica del sistema así como las conexiones existentes entre los diferentes depósitos y los actuadores de todo el sistema. Para poder accionar cualquier actuador digital (electroválvulas, mezclador, cambio de polaridad, etc.) solo es necesario que la aplicación tenga seleccionado el modo manual en el selector, pulsar sobre el actuador que se desee activar y pulsar el botón de Refresco (update). Para dar un valor de tensión a cualquier señal analógica, solo es necesario colocar el valor en el control destinado a tal fin y pulsar el botón de Refresco (update). Por otra parte la representación gráfica del sistema también cuenta con indicadores que muestran el valor en su correspondiente unidad de cada una de las variables que pueden medirse (nivel, presión, temperatura y caudal). Estas variables se van refrescando y se enseñan tanto en modo manual como automático. Al mismo tiempo y de manera instantánea activar una electroválvula, se muestra el camino que el líquido puede seguir. Una vez activado el modo automático la aplicación niega la posibilidad de activar o desactivar actuadores digitales y de darles niveles de tensión a los actuadores analógicos. Refrescando dependiendo de qué tipo de control se realice el estado de los actuadores y del camino que sigue el líquido. 74 Memoria

75 Selector automático/ manual Botón de refresco Indicador de presión del depósito 1 Actuador desactivado Indicador de nivel del depósito 2 Indicador de temperatura del depósito 2 Actuador activo Camino que puede seguir el líquido Figura Interface de usuario, pestaña tipo scada. Controles de los actuadores analógicos Pestaña de visualización de gráficos: una vez se ha pasado a modo automático es cuando esta pestaña adquiere una utilidad importante. En modo automático además de mostrar en la pestaña tipo scada, el estado de los actuadores digitales, el camino que el líquido está siguiendo en ese momento y el valor de lo sensores de cada una de las variables que se pueden medir, en el momento de realizar el control la aplicación muestra de manera inmediata la gráfica de la respuesta de la variable que se está controlando en ese momento. En esta gráfica puede visualizarse de tres maneras, una de ellas es visualizar la consigna, otra es visualizar la respuesta del sistema y la última es visualizar la consigna y la respuesta al mismo tiempo. 75 Memoria

76 Selector automático/ manual Control de visualización de graficas Botón de Marcha/Paro del control Grafico Controles del PID Calentar o enfriar con la célula Peltier Guardar datos de la gráfica Selector del tipo de control Figura Interface de usuario, pestaña de visualización de gráficos. Controles de set point 76 Memoria

77 10.5. Modo manual. Para poder utilizar la aplicación manualmente el selector de manual/automático debe estar en modo manual. La utilización de la aplicación en modo manual es muy sencilla, solo es necesario activar o desactivar los actuadores digitales deseados, dar un nivel de tensión a los actuadores analógicos deseados (normalmente será uno ya que el transvase de líquido de un deposito a otro o a el mismo en el caso del depósito central se realiza mediante un solo actuador analógico) y pulsar el botón de refresco, a partir de ese momento el fluido recorrerá el camino abierto impulsado por el actuador analógico correspondiente o se calentará/enfriará mediante la célula Peltier. En este caso en la pestaña de gráficos no se mostrará ningún grafico puesto que no se realiza ningún tipo de control y tampoco es necesario darle valores a las constantes del PID. En la figura Se muestra el panel de usuario en modo manual. Selector automático/ manual Botón de refresco Indicador de presión del depósito 1 Actuador desactivado Indicador de nivel del depósito 2 Indicador de temperatura del depósito 2 Actuador activo Camino que puede seguir el líquido Figura Modo manual Controles de los actuadores analógicos 77 Memoria

78 10.6. Modo automático. Para poder utilizar la aplicación en modo automático es necesario que el selector de manual/automático esté en modo automático. La utilización de la aplicación en modo automático es muy sencilla e intuitiva puesto que solo es necesario elegir qué tipo de control se debe realizar (nivel en subida o bajada, temperatura o caudal) darle una consigna o set point al control correspondiente en las unidades correspondientes, introducir las constantes del PID y pulsar el botón de inicio. Una vez pulsado el botón de inicio el sistema realizará el control configurado y mostrará las graficas correspondientes a dicho control. Cabe destacar que al ser una maqueta de prácticas las constantes del PID deberán ser calculadas previamente y entradas a la aplicación, el control PID interno de la aplicación esta de manera que las constantes del PID deben ser: PROPORCIONAL KP K P KP INTEGRAL KI Ti DERIVATIVO KD KP Td Para mayor información referirse al punto 12.Explicación de los lazos de regulación implementados. En la figura Se muestra la interface de usuario en modo automático. Selector automático/ manual Botón de Inicio/Paro del control Controles del PID Grafico Selector del tipo de control Figura Modo automático. Controles de set point 78 Memoria

79 Para más información acerca de la utilización de la aplicación consultar el Anexo B de utilización del software. 79 Memoria

80 11. FILOSOFIA DE PROGRAMACION. Para la implementación del código de la aplicación se utilizaron diferentes técnicas de programación, algunas de las cuales son propias de la metodología de programación del lenguaje utilizado, a partir de este momento se explicarán de forma generalizada las técnicas de programación utilizadas así como los diagramas de bloques de las partes más importantes Estructuras de programación utilizadas. Las estructuras de programación son las que nos permiten realizar diferentes acciones de diversos tipos durante la ejecución del programa, cabe destacar que en cada parte del programa se utilizaron diferentes estructuras después de haber valorado qué tipo de estas era mejor para realizar la acción que se necesitaba. Stacked/Flat Sequence: este tipo de estructura es una estructura secuencial lo que determina que se ejecutará el código que se encuentra dentro de cada uno de los Frames (cuadros) después de que el anterior haya terminado de ejecutar el código de su interior, ese tipo de estructuras es muy útil si deben realizarse códigos secuenciados en el que cada parte del código depende del anterior, por ejemplo en la configuración de las señales analógicas o digitales, a partir de este momento podemos decir que en cada parte que se necesitaba secuenciar código se utilizó este tipo de estructura, esto es debido a que labview, utiliza una técnica llamada DATA FLOW (flujo de datos) esta técnica consiste en ejecutar todo el código que sea posible ejecutar al mismo tiempo, esto permite ejecutar códigos en paralelo. Frame (cuadro) Código a ejecutar Figura Estructura Flat/Sequence. Case Structure: esta es una estructura case, en la que se ejecutará el código interno de cada caso dependiendo de la condición de ejecución que se haya determinado, en cada caso el código a ejecutar será diferente (en general) y realizará diferentes acciones. A 80 Memoria

81 partir de aquí podemos asegurar que este tipo de estructura se utiliza cuando es necesario ejecutar códigos diferentes de pendiendo de el estado de la entrada. Estructura case caso true Condición Código a ejecutar Figura Estructura Case con dos casos, true/false. Estructura While (mientras): es una estructura de ejecución continua, que se ejecutará hasta que la condición de salida se cumpla. Esta estructura es indicada de utilizar cuando el código se debe ejecutar de manera continua y repetitiva. Estructura While Código a ejecutar Condición de salida Figura Estructura While. Estructura For: esta es una estructura de ejecución continua pero de un número determinado de veces, en este caso debe determinarse la cantidad de ejecuciones que deben hacerse, tanto sea de manera explícita, es decir introduciendo un número en el terminal de control de repeticiones o de manera implícita, es decir auto-indexando el bucle. 81 Memoria

82 Terminal de control de ejecuciones Código a ejecutar. Autoindexado Figura Estructura For. Event Structure: esta es una estructura que ejecuta diferentes eventos linkados a diferentes controles, indicadores, variables, etc. En este caso se utiliza cuando es necesario ejecutar diferentes casos y el número de casos es elevado. Tiempo a pasar por el timeout Casos del Event Código a ejecutar. Figura Estructura event. Una vez explicadas las estructuras de programación utilizadas en la implementación del código, se procede a explicar la implementación de las partes más importantes del programa así como los diagramas de flujo utilizados para realizar la implementación. 82 Memoria

83 11.2. Diagramas de flujo e implementación del programa. Valorando todo el código implementado y teniendo en cuenta que ya se explicó cómo se gestionan las variables analógicas y digitales se procede a describir las tres partes más importantes del programa implementado. Una de ellas hace referencia al código general o principal, denominado Main, este es el código madre de todo el programa, otra de las partes importantes es el de gestión de la interface de usuario, que se explicará de manera general y la última parte es la de gestión del control manual y automático del sistema. Diagrama de flujo del programa principal (MAIN) Este programa es él programa madre de la aplicación en el podremos encontrar la configuración inicial de todas las variables, la llamada a los subprogramas que realizan la traducción de la aplicación desde el inicio, la comprobación del sistema, la admisión o no de los usuarios y contraseñas (LOGIN) y la llamada al programa que hace de interface de usuario. Para realizar la configuración de la aplicación se utilizan diversos ficheros en formato ini (ficheros de configuración) en los cuales se configura mediante el block de notas los estados de el fichero de configuración inicial se llama Main.ini en el podemos encontrar, los ficheros que deben comprobarse, los dispositivos a comprobar, ficheros a cargar, etc. En la primera parte del programa principal se realza la lectura de este fichero para que ya este cargado en un variable global y los datos estén disponibles en todo el programa, por otra parte después de realizar la carga del Main.ini se realiza la lectura y configuración del fichero de idiomas, este fichero de denomina Dictionary.Language en el cual se encuentran todas las referencias de las palabras de los tres idiomas que puede traducirse la aplicación, después de cargar dicho fichero de idiomas se realiza la petición de el idioma con que se debe cargar la aplicación. Luego se presenta el programa, una vez presentado el programa se procede a realizar la verificación de los ficheros y dispositivos que son necesarios para iniciar la aplicación, luego y si el sistema se encuentra en un estado correcto aparecerá una pequeña guía de utilización, pasada la guía, aparecerá un programa que gestiona el acceso a la aplicación y si el usuario y contraseñas son correctos se iniciará la aplicación. 83 Memoria

84 INICIO INICIALIZAR VARIABLES DE LECTURA DEL FICHERO MAIN.INI INICIALIZAR ESCRITURA DEL MAIN.INI HAY ERROR? NO NO DAR RUTA DE ACCESO A MAIN.INI INICIALIZAR TRADUCCIÓN DE IDIOMA SI SELECCIONAR IDIOMA PRESENTAR PROGRAMA VERIFICAR SISTEMA NO SISTEMA OK? SI PEQUEÑA GUIA DE UTILIZACIÓN LOGIN NO NO LOGIN OK? SI INTERFACE USUARIO NO EXIT? SI FIN Diagrama Diagrama de flujo del programa principal (Main). 84 Memoria

85 Diagrama de flujo del programa de gestión y control general: Este trozo del programa es el que se encarga de hacer toda la gestión del sistema y de la aplicación en el podremos encontrar diferentes bucles del tipo WHILE que se ejecutan paralelamente, esto es una característica del lenguaje que se utiliza para hacer la implementación del programa, en este caso se decidió hacerlo de esta manera puesto que cada uno de los bucles realiza una acción concreta y no se mezclan diferentes partes del programa, por ello se implementaros 5 bucles diferentes con diferente cometidos. 1. Bucle de gestión del interface de usuarios: en este bucle se gestiona todo lo referente al interface de usuario, en el se gestiona el menú contextual, el cambio de idioma, la aparición de los diferentes paneles de control manual, control de usuarios y la salida del programa. 2. Bucle de lectura/escritura continúa de las señales digitales: en él se gestiona como ya se ha explicado la escritura y la lectura de las señales digitales. 3. Verificación continua de los niveles máximos/mínimos de los depósitos: en este bucle se realiza la comprobación de los niveles máximos y mínimos de los depósitos, en este caso al ser sobrepasados aparecerá un aviso que informará de que deposito y que sensor se trata y que solo permitirá el uso de la aplicación en modo manual para así poder solventar el problema. 4. Gestión de gráficos y datos a guardar: en este bucle por una parte gestiona la presentación de los gráficos en la interface de usuario, que se realiza utilizando una FGV (Functional Global Variable) puesto que es necesario pasar información de un bucle a otro, se opta por implementar una variable global de tipo memoria lineal que al llanearse por completo, elimina el primer elemento guardado, de esta manera en el gráfico aparecerán los últimos N puntos leídos. Y por otro lado guarda todos los puntos que en ese momento están mostrándose por pantalla en u fichero de texto, para su posterior recuperación y/o utilización en la misma aplicación o en cualquier otra que acepte leer ficheros con este formato. 5. Bucle de gestión del control en automático o manual: este bucle será explicado más detalladamente en el siguiente apartado, pero a grandes rasgos se puede decir que se encarga de enseñar/esconder los controles que son necesarios para cada uno de los tipos de control y de realizar el control en modo automático. 85 Memoria

86 INICIO INICIALIZACIÓN DE VARIABLES, IDIOMA Y MENÚ CONFIGURACON DE LAS SENALES DIGITALES Y ANALÓGICAS GESTIÓN DE LA INTERFACE DE USUARIO LECTURA/ ESCRITURA CONTINUA DE LAS DIOS VERIFICACIÓN CONTINUA DE MAX/MIN NIVEL DE LOS DEPOSITOS GESTIÓN DE GRAFICOS Y DATOS A GUARDAR GESTIÓN DE CONTROL AUTOMATICO Y MANUAL NO EXIT? SI FIN Diagrama Diagrama de flujo del programa gestor de la interface De usuario, control y variables analógicas y digitales. 86 Memoria

87 Diagrama de flujo del control automático/manual del sistema. En este apartado se procederá a explicar la estructura del bucle de control automático/manual. En este caso el bucle se ejecuta continuamente, por ello escanea si debe salirse del programa, o si debe hacerse un control manual o automático del sistema, de esta manera se tienen dos casos bien diferenciados con una estructura muy parecida, parecida porque las dos están secuenciadas, por otra parte el comportamiento de cada una de las ramas es totalmente diferente puesto que en modo manual es el usuario quien decide que debe activarse y por cuánto tiempo y en modo manual el usuario solo decide qué tipo de control desea realizar y las variables del control, a partir de ese momento el programa de control se gestiona y realiza el control determinado. 87 Memoria

88 INICIO EXIT=1 SI NO NO SI NIVEL MAX/MIN SOBREPASADO=0 & AUTO MANUAL=0? NO MODO MANUAL MODO AUTOMATICO UPDATE ES VISIBLE INICIALIZAR CONTROLES SI SI NO HACER LOS CONTROLES VISIBLES EXIT=1 OR AUTO/MAN=0 OR START/STOP=1 NO SI UPDATE=1? SI SI REFRESCAR SALIDAS ANALÓGICAS Y DIGITALES START/ STOP=1 SI REALIZAR CONTROL SELECCIONADO NO NO START/ STOP=0 SI FIN Diagrama Diagrama de flujo del bucle que realiza el control manual y automático. 88 Memoria

89 12. LAZOS DE REGULACION IMPLEMENTADOS. Para realizar la regulación y el control de las tres variables que se disponen, se implementó un control del tipo PID clásico o paralelo. Se opto por realizar un control PID porque es una estructura de control universalmente utilizada en cualquier tipo de industria y como la maqueta de control es una fiel simulación de un proceso industrial con elementos de control reales y que pueden ser encontrados en cualquier industria (electroválvulas, actuadores analógicos, transductores, sensores, etc.), el control PID era la opción más optima y acertada, puesto que es versátil, ajustable, completo y fácil de configurar para poder obtener una respuesta optima. Para cada tipo de control hay condiciones de funcionamiento diferentes pero que a su vez el comportamiento en casi todos ellos es el mismo, a continuación y para poder explicar cada una de las condiciones que deben cumplirse para cada tipo de control debe separarse el tipo de implementación y el modo de realizar y controlar las condiciones en dos bloques, esto es de esta manera porque en dos de los tipos de control hay movimiento de líquido (trabajamos con fluido en movimiento) y en uno no (el fluido se mantiene estático). Por ello y a partir de aquí se separa la implementación del programa llamado FUNCTION.VI en dos bloques Diagrama de flujo para realizar el control de nivel y caudal. A continuación y se explica el funcionamiento del programa de control de manera general para cuando se realiza el control del nivel del depósito central y de caudal que por medidas de seguridad también es del depósito central a él mismo. Para poder realizar el control y como es lógico deben comprobarse y cumplirse una serie de condiciones, en este caso, las condiciones son la correcta apertura de las válvulas que permiten el transvase de un deposito a otro en el caso de realizar el control de nivel y de el central a él mismo al realizar el control de caudal, en el diagrama 12.0 se muestra el diagrama de flujo general para poder implementar cada uno de los casos de control de estas dos variables. 89 Memoria

90 INICIO LEER EL ESTADO DE LAS ELECTROVALVULAS Y SETEAR A 0V EL VALOR DE LA SALIDA ANALÓGICA CORRESPONDIENTE Se leen las electroválvulas que son necesarias y se setea la salida analógica correspondiente (bomba, ITV, célula Peltier o válvula proporcional Cierra todas las electroválvulas que se utilizan para cada tipo de control SI CERRAR LAS EV HAY ALGUNA EV ACTIVA? NO Abre las electroválvulas que se utilizan para cada tipo de control ABRIR LAS EV NECESARIAS STAR/STOP=0 OR EXIT=1 OR NIVEL MAX/MIN=1? NO REALIZAR EL CONTROL PID SI CERRAR LAS EV UTILIZADAS Y SETEAR A 0V LA SALIDA ANALÓGICA CORRESPONDIENTE FIN Diagrama Diagrama de flujo general para Implementar el control de nivel y caudal. 90 Memoria

91 12.2. Diagrama de flujo para realizar el control de temperatura. En este caso las condiciones que deben cumplirse son ligeramente diferentes aunque la estructura de programación y del control es la misma, esto es de esta manera porque el control es universal para cualquier tipo de variable y porque la programación es más sencilla si es utilizando la misma estructura, tanto en el momento de implementarla como en el momento de debugar el funcionamiento. En este caso en lugar de verificar y activar electroválvulas se realiza la verificación y activación de elementos diferentes estos son, mezclador, ventilador y polaridad de la célula peltier. Esto es de este modo para poder distribuir mejor el calor, en el caso de calentar el líquido o el frio en caso de enfriarlo. Mezclador: el mezclador se utiliza para que todo el líquido contenido en el depósito tenga una transferencia de energía (en cualquiera de los dos sentidos) uniforme. Ventilador: es un pequeño ventilador que empuja el calor/frio, hacia arriba puesto que la célula peltier está en el fondo de depósito. Esto hace que se caliente/enfríe más rápidamente. Polaridad de la célula peltier: en este caso la célula peltier tiene dos polaridades en una de ellas calienta el líquido y en la otra lo enfría. En el diagrama Se muestra el diagrama de flujo correspondiente al control de la temperatura. 91 Memoria

92 INICIO LEER EL ESTADO DEL MEZCLADOR, VENTILADOR Y POLARIDAD DE LA CELULA PELTIER Para el mezclador, el ventilador y pone la polaridad de la célula peltier en modo calentar SI PARAR TODOS LOS ACTUADORES HAY ALGUN ACTUADOR ACTIVO? NO Activar polaridad deseada de la célula peltier, ventilador y mexclador ACTIVAR LOS ACTIADORES STAR/STOP=0 OR EXIT=1 OR NIVEL MAX/MIN=1? NO REALIZAR EL CONTROL PID SI PARA LOS ACTUADORES DIGITALES Y PONE LA TENSION DE LA CELULA PELTIER A 0V FIN Diagrama Diagrama de flujo para Implementar el control de temperatura. 92 Memoria

93 12.3. Estructura de control implementada. La estructura de control implementada es una estructura del tipo PID clásico o paralelo en la que se introduzco un wind up en la acción integral debido a que los sistemas a controlar son lentos y tienen mucha inercia y para que en caso de realizar un control de segundo orden subamortiguados tenga la capacidad de responder rápidamente, puesto que en la implementación del controles PID digitales se va realizando la suma de los errores para poder hacer un control I, por ello es necesario no tener una acumulación excesivamente grande de errores para realizar este tipo de control. A continuación se explicará la implementación de cada uno de los controles (P, I, D) y la implementación del control PID en paralelo. Por ello la ecuación de control que debe utilizarse es: Ley de control en formato paralelo e ideal y no interactivo. SP + ADD - e(k) Control P Control I Add G(s) Sistema a controlar Y(s) Control D H(s) Sensor Y(s) Esquema del control a realizar. u( t) P( t) I( t) D( t) K e( t) K e( ) d K Esta es la forma analógica de describir un control PID. Nomenclatura: P: Acción Proporcional, amplifica el error de regulación. I: Acción Integral: Integra el error a en el tiempo. D: Acción derivativa, Deriva el error en el tiempo. Kp: Ganancia Proporcional. Ki: Ganancia Integral. Kd: Ganancia Derivativa. c i t 0 d de( t) dt Para poder realizar el control con un ordenador debemos digitalizar la ecuación general de control. Para poder hacerlo utilizamos la siguiente ecuación de control digitalizada. u(tk) P(tk) I(tk) D(tk) algoritmo absoluto u(tk) u(tk)- u(tk-1) P(tk)- P(tk-1) I(tk)- I(tk-1) (tk)- (tk-1) algoritmo incremental. 93 Memoria

94 En este caso para implementar el código para realizar el control se utiliza el algoritmo absoluto en su forma digitalizada. Control P: la implantación del control digital tipo P es muy sencilla para poder implementarlo se utiliza una ecuación de control P digital. A continuación se muestra la ecuación del control así como el código que se implementó para realizar dicho control. P KP e( t) P KP e( t con : con : KP p K KP p K K u( t) y( t) e( t) SP Hs( k) K e( t u( t y( t ) SP Hs( t Control analógico. Control digital. Ecuación Control P Nomenclatura: P = Control proporcional. p = Constante proporcional. K = Ganancia. k = nomenclatura de control digital (número de muestra). e = Error SP = Consigna (Set Point). Hs = Respuesta del sistema (valor leído del sensor) u(k) = entrada al sistema (consigna). y(s) = salida del sistema. k k k ) ) k ) k ) A continuación se muestra el diagrama de bloques para realizar la implementación del control P. SP + ADD e(k) Control P G(s) Sistema a controlar Y(s) - Hs Sensor Y(s) Diagrama Diagrama de bloques del control P. 94 Memoria

95 Figura Código implementado para realizar el control P. Control tipo I: para poder implementar el digital control I fue necesario digitalizar la ecuación analógica de control, como todos sabemos el control analógico I no es más que la integral en el tiempo del error multiplicada por una constante en este caso KI. Para poder digitalizarlo es necesario convertir la integral en la suma de áreas, para ello se multiplica el error por la variación de tiempo y se suma de manera acumulativa. A continuación se muestran la ecuación analógica de un control integral y la ecuación digitalizada para poder ser implementada por programa. KP I ti t 0 e( t) dt Ki t 0 e( t) dt Ecuación Control integral de manera analógica. I KP Ti t 1 k e ( t 1) k t e ( t ) k Ki t 1 k e ( t 1) k t e Ecuación Implementación digital de un control I. ( t ) k Nomenclatura: I = Control integral. ti = Tiempo de la integral. t = Tiempo transcurrido. k = nomenclatura de control digital (número de muestra). e = Error Ki = Constante integral. A continuación se muestra el diagrama de bloques para realizar la implementación del control I aunque un control I solo no tiene sentido, el diagrama ayuda a comprender cuales son las entradas y salidas del sistema. 95 Memoria

96 SP + ADD e(k) Control I G(s) Sistema a controlar Y(s) - H(s) Sensor Y(s) Diagrama Diagrama de bloques del control I. Implementación de control I Memoria de la suma de las áreas Wind Up del control I Figura Código implementado para realizar el control I. Como puede observarse tubo que introducirse un Wind Up en el integrador, eso es de esta manera porque al controlar sistemas lentos y que contienen mucha inercia (nivel, temperatura, caudal) es necesario controlar cuando debe actuar la acción integral del controlador, por ello se estimó que la acción integral no comience a realizar el control hasta que la respuesta del sistema no se encuentre en un rango inferior al 20% de la consigna. 96 Memoria

97 Control tipo D: para poder implementar el digital control D fue necesario digitalizar la ecuación analógica de control, como todos sabemos el control analógico D no es más que la derivada en el tiempo del error multiplicada por una constante en este caso KI. Para poder digitalizarlo es necesario convertir la derivada una ecuación diferencial pero a su vez para que la implementación sea más fácil puede substituirse la ecuación diferencial como la diferencia de la acumulación del error multiplicado por la variación del tiempo. D KP td d dt de( t e( t) Kd dt Ecuación Control derivativo de manera analógica. ) D Kp td e et e e ( t k 1) k ( tk 1) t Kd t Ecuación Control derivativo de manera digital. tk Nomenclatura: D = Control derivativo. td = Tiempo de la derivada. t = Tiempo transcurrido. k = nomenclatura de control digital (número de muestra). e = Error Kd = Constante derivativa. A continuación se muestra el diagrama de bloques para realizar la implementación del control D aunque un control D solo no tiene sentido, el diagrama ayuda a comprender cuales son las entradas y salidas del sistema. SP + ADD e(k) Control D G(s) Sistema a controlar Y(s) - H(s) Sensor Y(s) Diagrama Diagrama de bloques del control D. 97 Memoria

98 Implementación de control D Memoria de la diferencia de las áreas Figura Código implementado para realizar el control D. Implementación del controlador PID clásico: como ya se ha explicado, la implementación del controlador se realizó utilizando una estructura PID clásica o paralela con wind up en el control Integral, una vez integrados las diferentes partes del control PID (es decir la P, I, D por separado) es necesario realizar la implementación de todo el control ya que cada una de estas partes por separado no podrían controlar ningún sistema de forma efectiva. Por ello se conectan de tal manera que cada uno pueda realizar un control específico cada vez que la respuesta del sistema lo necesite. A continuación se muestra el diagrama de bloques y el código implementado para realizar el control. de( t U( t) Kp e( t) Ki e( t) dt Kd dt Ecuación Ecuación de control PID paralelo en formato analógico. ) U( t k ) Kp e( t k ) Ki t 1 k e ( t 1) k t e ( t ) k e Kd Ecuación Ecuación de control PID paralelo en formato digital. ( t 1) k t e t k 98 Memoria

99 SP + ADD - e(k) Control P Control I Add G(s) Sistema a controlar Y(s) Control D H(s) Sensor Y(s) Diagrama Diagrama de bloques del control PID implementado. Tiempo en segundos Control P Control I Wind up implementada en el control general Control D Figura Código implementado para realizar el control PID. 99 Memoria

100 El propósito de la colocación de un limitador de wind up es debido a que en el momento inicial, en el instante t0 inicial, de realización del control la variable de control VC tiende a tomar un valor infinito, por ello y para evitar saturar la tarjeta de adquisición PCI-6221 que tiene un rango de trabajo para las salidas analógicas de 0-10V. Por ello se comprueba que el valor a escribir en las salidas analógicas no sea superior a10, si se da el caso se escribirá el valor máximo que acepta la tarjeta (10V), ni inferior a 0, en cuyo caso se escribirá el valor mínimo que acepta la tarjeta (0V). Figura Representación grafica general de la respuesta De una variable de control. Una vez implementado el control PID clásico, es necesario colocarlo de manera correcta para que realice el control de manera correcta. Por ello a continuación se muestra la implementación del programa que realiza todo el control (solo se enseñará un caso, puesto que los otros son muy similares) del sistema. A continuación se muestra la posición del VI de control para poder situarlo en el programa. 100 Memoria

101 Function Vi Figura Situación del control del sistema. 101 Memoria

102 Control PID Function Vi Figura Situación del control PID 102 Memoria