LABORATORIO VIRTUAL REMOTO

Transcripción

1 LABORATORIO VIRTUAL REMOTO UNA HERRAMIENTA PARA LA ENSEÑANZA DE CONTROL AUTOMÁTICO Asesor: Jorge R. Vega Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Santa Fe AADECA al 05 de Octubre de 2012

2 Contenido Introducción Contenido Objetivos 1 Conformación de la planta en estudio. 2 Instrumentación del sistema (lazo cerrado) Modelado del sistema de alimentación. 5 Implementación en Matlab/Simulink. 6 Diseño de la Aplicación Cliente. 7 Establecimiento del vínculo remoto. 8 Conclusiones.

3 Objetivos Introducción Contenido Objetivos 1 Implementar el modelo de simulación de un sistema real y disponible en el laboratorio, para el control de niveles mediante el uso de controladores PID. 2 Desarrollar un software que admita la configuración de las simulaciones y presentación de los resultados, con vistas en su aplicación como herramienta de enseñanza (LV: LABORATORIO VIRTUAL). 3 Establecer un vínculo remoto entre el software de resolución numérica (servidor) y la aplicación de configuración y gestión de las simulaciones (cliente), con finalidades en la separación de responsabilidades y centralización de recursos, entre otras (LVR: LABORATORIO VIRTUAL REMOTO).

4 Objetivos Introducción Contenido Objetivos 1 Implementar el modelo de simulación de un sistema real y disponible en el laboratorio, para el control de niveles mediante el uso de controladores PID. 2 Desarrollar un software que admita la configuración de las simulaciones y presentación de los resultados, con vistas en su aplicación como herramienta de enseñanza (LV: LABORATORIO VIRTUAL). 3 Establecer un vínculo remoto entre el software de resolución numérica (servidor) y la aplicación de configuración y gestión de las simulaciones (cliente), con finalidades en la separación de responsabilidades y centralización de recursos, entre otras (LVR: LABORATORIO VIRTUAL REMOTO).

5 Objetivos Introducción Contenido Objetivos 1 Implementar el modelo de simulación de un sistema real y disponible en el laboratorio, para el control de niveles mediante el uso de controladores PID. 2 Desarrollar un software que admita la configuración de las simulaciones y presentación de los resultados, con vistas en su aplicación como herramienta de enseñanza (LV: LABORATORIO VIRTUAL). 3 Establecer un vínculo remoto entre el software de resolución numérica (servidor) y la aplicación de configuración y gestión de las simulaciones (cliente), con finalidades en la separación de responsabilidades y centralización de recursos, entre otras (LVR: LABORATORIO VIRTUAL REMOTO).

6 Descripción de la planta Descripción de la planta Instrumentación y cierre del lazo de control Planta para control de niveles Características TKs interconectados desde sus bases + descargas individuales Circuito cerrado de agua TK 3 actúa como reservorio Sistema no lineal Sistema variante (sección transversal de TK 2 ) ENTRADA: Caudal impulsado por la bomba SALIDAS: Niveles h 1 (t) y h 2 (t)

7 Descripción de la planta Descripción de la planta Instrumentación y cierre del lazo de control Planta para control de niveles Características TKs interconectados desde sus bases + descargas individuales Circuito cerrado de agua TK 3 actúa como reservorio Sistema no lineal Sistema variante (sección transversal de TK 2 ) ENTRADA: Caudal impulsado por la bomba SALIDAS: Niveles h 1 (t) y h 2 (t)

8 Instrumentación del sistema Descripción de la planta Instrumentación y cierre del lazo de control P&ID para TK 1 (análogo para TK 2 ) Planta Sistema de tanques Medidores Sensores de nivel por presión Controlador Módulo PID del PLC Actuador Variador de frecuencia + Bomba centrífuga

9 Instrumentación del sistema Descripción de la planta Instrumentación y cierre del lazo de control P&ID para TK 1 (análogo para TK 2 ) Planta Sistema de tanques Medidores Sensores de nivel por presión Controlador Módulo PID del PLC Actuador Variador de frecuencia + Bomba centrífuga

10 Instrumentación del sistema Descripción de la planta Instrumentación y cierre del lazo de control P&ID para TK 1 (análogo para TK 2 ) Planta Sistema de tanques Medidores Sensores de nivel por presión Controlador Módulo PID del PLC Actuador Variador de frecuencia + Bomba centrífuga

11 Instrumentación del sistema Descripción de la planta Instrumentación y cierre del lazo de control P&ID para TK 1 (análogo para TK 2 ) Planta Sistema de tanques Medidores Sensores de nivel por presión Controlador Módulo PID del PLC Actuador Variador de frecuencia + Bomba centrífuga

12 Lazo cerrado de control Descripción de la planta Instrumentación y cierre del lazo de control El caudal impulsado por la bomba es función de la frecuencia estipulada por el variador y de la presión de admisión (nivel del reservorio).

13 Lazo cerrado de control Descripción de la planta Instrumentación y cierre del lazo de control El caudal impulsado por la bomba es función de la frecuencia estipulada por el variador y de la presión de admisión (nivel del reservorio).

14 Modelo de la planta Modelo de la planta Modelado del sistema de alimentación Implementación en Matlab/Simulink A 1 dx 1 dt A 2i dx 2 dt = q i,1 C 1 X 1 + C 12 Signo (X 1 X 2 + 3, 3 [cm]) X 1 X 2 + 3, 3 [cm] (1) = q i,2 C 2 X C 12 Signo (X 1 X 2 + 3, 3 [cm]) X 1 X 2 + 3, 3 [cm] (2) Modelo y metodología de estimación de parámetros implementada en un trabajo previo. a a Loyarte, A., G. Díaz y J. Rosa (2010). Modelado y parametrización de una planta para control de niveles. AADECA 2010.

15 Modelo de la planta Modelo de la planta Modelado del sistema de alimentación Implementación en Matlab/Simulink A 1 dx 1 dt A 2i dx 2 dt = q i,1 C 1 X 1 + C 12 Signo (X 1 X 2 + 3, 3 [cm]) X 1 X 2 + 3, 3 [cm] (1) = q i,2 C 2 X C 12 Signo (X 1 X 2 + 3, 3 [cm]) X 1 X 2 + 3, 3 [cm] (2) Modelo y metodología de estimación de parámetros implementada en un trabajo previo. a a Loyarte, A., G. Díaz y J. Rosa (2010). Modelado y parametrización de una planta para control de niveles. AADECA 2010.

16 Modelado del sistema de alimentación Modelo de la planta Modelado del sistema de alimentación Implementación en Matlab/Simulink El nivel del líquido en el reservorio define la presión de alimentación de la bomba, afectando directamente al caudal. Por lo tanto: Caudal = f (Frecuencia, Nivel Reservorio) Se realizó un ensayo específico para la determinación de las curvas de nivel mostradas. La implementación en el modelo se realiza a partir de una tabla de doble entrada.

17 Modelado del sistema de alimentación Modelo de la planta Modelado del sistema de alimentación Implementación en Matlab/Simulink El nivel del líquido en el reservorio define la presión de alimentación de la bomba, afectando directamente al caudal. Por lo tanto: Caudal = f (Frecuencia, Nivel Reservorio) Se realizó un ensayo específico para la determinación de las curvas de nivel mostradas. La implementación en el modelo se realiza a partir de una tabla de doble entrada.

18 Modelado del sistema de alimentación Modelo de la planta Modelado del sistema de alimentación Implementación en Matlab/Simulink El nivel del líquido en el reservorio define la presión de alimentación de la bomba, afectando directamente al caudal. Por lo tanto: Caudal = f (Frecuencia, Nivel Reservorio) Se realizó un ensayo específico para la determinación de las curvas de nivel mostradas. La implementación en el modelo se realiza a partir de una tabla de doble entrada.

19 Implementación en Matlab/Simulink Modelo de la planta Modelado del sistema de alimentación Implementación en Matlab/Simulink El modelo completo del sistema en lazo cerrado es implementado como esquema de simulación en Matlab/Simulink. El modelo comprende las siguientes posibilidades: Sintonización del controlador (PID tipo posicional o de velocidad). Set Point tipo constante, escalón o doble escalón. Caudal de perturbación: escalón o doble escalón. Simulación de ruido en los medidores (media y varianza). Limitación mínima y máxima para la frecuencia del variador. Visualización de las corrientes emitidas por los sensores. Detección e indicación de condiciones de falla (rebalse, bomba en vacío, etc.).

20 Implementación en Matlab/Simulink Modelo de la planta Modelado del sistema de alimentación Implementación en Matlab/Simulink El modelo completo del sistema en lazo cerrado es implementado como esquema de simulación en Matlab/Simulink. El modelo comprende las siguientes posibilidades: Sintonización del controlador (PID tipo posicional o de velocidad). Set Point tipo constante, escalón o doble escalón. Caudal de perturbación: escalón o doble escalón. Simulación de ruido en los medidores (media y varianza). Limitación mínima y máxima para la frecuencia del variador. Visualización de las corrientes emitidas por los sensores. Detección e indicación de condiciones de falla (rebalse, bomba en vacío, etc.).

21 Easy Java Simulations (EJS) Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados Easy Java Simulations (EJS): Herramienta de software gratuita diseñada para la creación de simulaciones interactivas en Java. Incluye widgets predefinidos para la creación de interfaces gráficas. Admite la resolución numérica de sistemas de ecuaciones diferenciales, a partir del modelo de estados. En su versión 3.47 permite la comunicación con Matlab (Simulink) para la definición del sistema y su resolución.

22 Easy Java Simulations (EJS) Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados Easy Java Simulations (EJS): Herramienta de software gratuita diseñada para la creación de simulaciones interactivas en Java. Incluye widgets predefinidos para la creación de interfaces gráficas. Admite la resolución numérica de sistemas de ecuaciones diferenciales, a partir del modelo de estados. En su versión 3.47 permite la comunicación con Matlab (Simulink) para la definición del sistema y su resolución.

23 Aplicación cliente Introducción Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados Aplicación cliente: Aplicación Java en comunicación con Matlab para la ejecución del modelo de simulación del sistema (Simulink). Arquitectura Cliente / Servidor CLIENTE Aplicación EJS SERVIDOR Matlab (Simulink) Configuración de la simulación. Visualización de los resultados. Disposición del modelo del sistema. Ejecución de las simulaciones.

24 Aplicación cliente Introducción Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados Aplicación cliente: Aplicación Java en comunicación con Matlab para la ejecución del modelo de simulación del sistema (Simulink). Arquitectura Cliente / Servidor CLIENTE Aplicación EJS SERVIDOR Matlab (Simulink) Configuración de la simulación. Visualización de los resultados. Disposición del modelo del sistema. Ejecución de las simulaciones.

25 Aplicación cliente (CONTINUACIÓN) Introducción Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados La aplicación cliente posibilita la configuración de la simulación bajo la modalidad de asistente. Visualización de variables tabuladas. Curvas de evolución. Exportación de configuraciones.

26 Aplicación cliente (CONTINUACIÓN) Introducción Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados La aplicación cliente posibilita la configuración de la simulación bajo la modalidad de asistente. Visualización de variables tabuladas. Curvas de evolución. Exportación de configuraciones.

27 Aplicación cliente (CONTINUACIÓN) Introducción Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados

28 Java Internet Matlab (JIM) Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados Java Internet Matlab (JIM): Aplicación gratuita que permite extender las capacidades de EJS y su comunicación con Matlab, hacia un vínculo remoto. JIM Server se ejecuta en el equipo servidor, junto al software de cálculo (Matlab). JIM Cliente puede ser embebido en la Aplicación EJS. El vínculo puede establecerse en una red local o Internet. Utiliza el protocolo IP. Admite el acceso concurrente de clientes al servidor. Permite limitar el número de conexiones máximas.

29 Java Internet Matlab (JIM) Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados Java Internet Matlab (JIM): Aplicación gratuita que permite extender las capacidades de EJS y su comunicación con Matlab, hacia un vínculo remoto. JIM Server se ejecuta en el equipo servidor, junto al software de cálculo (Matlab). JIM Cliente puede ser embebido en la Aplicación EJS. El vínculo puede establecerse en una red local o Internet. Utiliza el protocolo IP. Admite el acceso concurrente de clientes al servidor. Permite limitar el número de conexiones máximas.

30 Resultados Introducción Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados Aplicación Java que no requiere instalación. Puede eventualmente ser embebida en un sitio Web. Se destaca por su característica de intuitiva. No se requieren conocimientos de manejo del software de simulación. Concentra el consumo de recursos para el cálculo. Admite el control de las conexiones (establece límites, habilita/deshabilita conexiones).

31 Resultados Introducción Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados Aplicación Java que no requiere instalación. Puede eventualmente ser embebida en un sitio Web. Se destaca por su característica de intuitiva. No se requieren conocimientos de manejo del software de simulación. Concentra el consumo de recursos para el cálculo. Admite el control de las conexiones (establece límites, habilita/deshabilita conexiones).

32 Resultados Introducción Desarrollo de la aplicación cliente Establecimiento del vínculo remoto Resultados Aplicación Java que no requiere instalación. Puede eventualmente ser embebida en un sitio Web. Se destaca por su característica de intuitiva. No se requieren conocimientos de manejo del software de simulación. Concentra el consumo de recursos para el cálculo. Admite el control de las conexiones (establece límites, habilita/deshabilita conexiones).

33 Conclusiones El LVR desarrollado contribuye como herramienta de estudio en temáticas inherentes al Control Automático, estudio de sistemas dinámicos y controladores PID. No requiere de la asistencia física del estudiante al Laboratorio Real. Permite repetir ensayos realizados sobre el Laboratorio Real, pero en la comodidad del ordenador personal del estudiante. Evita los problemas de disponibilidad del enorme tiempo demandado para una planta de gran capacidad volumétrica. Actualmente se está trabajando en una nueva interfaz para el LVR, sobre la cual el usuario pueda conformar en lazo de control según sus pretensiones de estudio, seleccionando individualmente el tipo de planta, controlador, etc. En las pruebas se la evalúa el reemplazo de Matlab por software libre (Python). El LVR no sustituye al Laboratorio Real, sólo actúa como complemento.

34 Conclusiones El LVR desarrollado contribuye como herramienta de estudio en temáticas inherentes al Control Automático, estudio de sistemas dinámicos y controladores PID. No requiere de la asistencia física del estudiante al Laboratorio Real. Permite repetir ensayos realizados sobre el Laboratorio Real, pero en la comodidad del ordenador personal del estudiante. Evita los problemas de disponibilidad del enorme tiempo demandado para una planta de gran capacidad volumétrica. Actualmente se está trabajando en una nueva interfaz para el LVR, sobre la cual el usuario pueda conformar en lazo de control según sus pretensiones de estudio, seleccionando individualmente el tipo de planta, controlador, etc. En las pruebas se la evalúa el reemplazo de Matlab por software libre (Python). El LVR no sustituye al Laboratorio Real, sólo actúa como complemento.

35 Conclusiones El LVR desarrollado contribuye como herramienta de estudio en temáticas inherentes al Control Automático, estudio de sistemas dinámicos y controladores PID. No requiere de la asistencia física del estudiante al Laboratorio Real. Permite repetir ensayos realizados sobre el Laboratorio Real, pero en la comodidad del ordenador personal del estudiante. Evita los problemas de disponibilidad del enorme tiempo demandado para una planta de gran capacidad volumétrica. Actualmente se está trabajando en una nueva interfaz para el LVR, sobre la cual el usuario pueda conformar en lazo de control según sus pretensiones de estudio, seleccionando individualmente el tipo de planta, controlador, etc. En las pruebas se la evalúa el reemplazo de Matlab por software libre (Python). El LVR no sustituye al Laboratorio Real, sólo actúa como complemento.

36 Conclusiones El LVR desarrollado contribuye como herramienta de estudio en temáticas inherentes al Control Automático, estudio de sistemas dinámicos y controladores PID. No requiere de la asistencia física del estudiante al Laboratorio Real. Permite repetir ensayos realizados sobre el Laboratorio Real, pero en la comodidad del ordenador personal del estudiante. Evita los problemas de disponibilidad del enorme tiempo demandado para una planta de gran capacidad volumétrica. Actualmente se está trabajando en una nueva interfaz para el LVR, sobre la cual el usuario pueda conformar en lazo de control según sus pretensiones de estudio, seleccionando individualmente el tipo de planta, controlador, etc. En las pruebas se la evalúa el reemplazo de Matlab por software libre (Python). El LVR no sustituye al Laboratorio Real, sólo actúa como complemento.

37 Conclusiones El LVR desarrollado contribuye como herramienta de estudio en temáticas inherentes al Control Automático, estudio de sistemas dinámicos y controladores PID. No requiere de la asistencia física del estudiante al Laboratorio Real. Permite repetir ensayos realizados sobre el Laboratorio Real, pero en la comodidad del ordenador personal del estudiante. Evita los problemas de disponibilidad del enorme tiempo demandado para una planta de gran capacidad volumétrica. Actualmente se está trabajando en una nueva interfaz para el LVR, sobre la cual el usuario pueda conformar en lazo de control según sus pretensiones de estudio, seleccionando individualmente el tipo de planta, controlador, etc. En las pruebas se la evalúa el reemplazo de Matlab por software libre (Python). El LVR no sustituye al Laboratorio Real, sólo actúa como complemento.

38 Conclusiones El LVR desarrollado contribuye como herramienta de estudio en temáticas inherentes al Control Automático, estudio de sistemas dinámicos y controladores PID. No requiere de la asistencia física del estudiante al Laboratorio Real. Permite repetir ensayos realizados sobre el Laboratorio Real, pero en la comodidad del ordenador personal del estudiante. Evita los problemas de disponibilidad del enorme tiempo demandado para una planta de gran capacidad volumétrica. Actualmente se está trabajando en una nueva interfaz para el LVR, sobre la cual el usuario pueda conformar en lazo de control según sus pretensiones de estudio, seleccionando individualmente el tipo de planta, controlador, etc. En las pruebas se la evalúa el reemplazo de Matlab por software libre (Python). El LVR no sustituye al Laboratorio Real, sólo actúa como complemento.

39 MUCHAS GRACIAS!