Instrumentación y Conocimiento del Equipo

Transcripción

1 1 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Sistemas de Control Automático. Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta). Instrumentación y Conocimiento del Equipo Objetivos específicos Conocer algunos de los módulos del laboratorio de Instrumentación y Control Realizar circuitos utilizando los paneles de Instrumentación y Control Calibrar y utilizar el graficador (plotter) para obtener las gráficas de voltaje de diferentes plantas Materiales y equipo 1 TERMÓMETRO 1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN ±15 VCD [SO3538-8D] 1 REFERENCIA DE VOLTAJE [SO3536-5A] 1 AMPLIFICADOR DE POTENCIA [SO3536-7Q] 1 SISTEMA CONTROLADO DE TEMPERATURA [SO3536-8T] 1 SISTEMA MOTOR-GENERADOR [SO3536-8S] 1 MÓDULO CON BOMBA [SO3536-9H] 1 SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL [SO3536-9K] 1 VOLTÍMETRO DE BOBINA MÓVIL [SO5127-1H] 1 GRAFICADOR X-Y Y-t (PLOTTER). 1 PLUMA PARA PLOTTER 5 HOJAS DE PAPEL MILIMETRADO (El estudiante debe traerlas). 7 CABLES 12 PUENTES 1 SWITCH Introducción teórica Actualmente tanto en la industria como en el campo domestico es necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como presión, caudal, nivel, temperatura, ph, conductividad, velocidad, humedad, etc. Para el control y mantenimiento de estas magnitudes se ha desarrollado toda una teoría de control automático apoyada grandemente en instrumentos de medición y control. En los inicios de la era industrial, la calidad de los productos estaba sujeta a la habilidad y dedicación

2 2 Sistemas de Control Automático. Guía 2 de los operarios de las fábricas, los cuales velaban constantemente por el buen funcionamiento de la planta mediante controles manuales: válvulas, manómetros, termómetros, etc. Esto era permisible en aquel entonces, donde los procesos eran bastante simples; no obstante, los procesos actuales son mucho más complejos que los de aquella época y requieren de un mayor seguimiento, precisión y ejecución que no puede exigírsele a un operario. Es a raíz de esta situación que los instrumentos de medición han ido progresando hasta alcanzar el nivel actual y el control se realiza de manera automática. De igual forma en el campo doméstico aparatos como calefacción o aire acondicionado regulan automáticamente la temperatura y humedad de los hogares y edificios para lograr un ambiente agradable para las personas sin que estas tengan que estar manipulando el aparato constantemente. Todo sistema de control se compone de tres elementos básicos: La planta: Es el elemento que se desea controlar. Generalmente es un equipo, quizás un juego de piezas de una máquina, funcionando conjuntamente, cuyo objetivo es realizar una operación determinada. El actuador: Es el elemento que realiza las operaciones y ajustes necesarios para lograr el control de la planta. Lazo de realimentación: Quizás la parte mas importante del control, ya que mediante ella se puede obtener información sobre el comportamiento de la planta, confrontando con los parámetros que se habían fijado, y realizar una acción correctiva mediante el actuador. El laboratorio de Instrumentación y Control nos permitirá trabajar y conocer el comportamiento y la relación que guardan estos tres elementos entre sí dentro de un sistema de control. Además está diseñado para proveer al estudiante de los conocimientos básicos para la medición y control de las variables antes mencionadas a fin de poder aplicar estos en procesos más complejos dentro de la industria. En la materia de Sistemas de Control Automático se utilizan en la mayoría de prácticas equipo didáctico Lucas Nülle el cual está compuesto de módulos que requieren una alimentación de +15 VDC y -15 VDC; Para formar un sistema estos módulos se deben interconectar con otros por medio de puentes. Para medir voltaje o corriente se utilizarán mutímetros de bobina móvil y para obtener gráficas de voltaje de los sistemas se utilizará un graficador X-Y Y-t (plotter). Graficador X-Y Y-t ( Plotter) El plotter a utilizar es marca GOERZ modelo SERVOGOR 790 y es un graficador potenciométrico portátil en formato DIN A4(Europeo). Usa coordenadas perpendiculares para graficar la función de dependencia entre dos magnitudes eléctricas de DC, o entre una magnitud eléctrica de DC y el tiempo. De hecho en esta materia es de esta última forma en que se va a utilizar. En la Figura 1, puede verse el plotter a utilizar con sus partes principales, en la superficie electrostática (7) debe colocarse la hoja de papel milimetrado de tal manera que la esquina inferior izquierda del papel coincida con la esquina inferior izquierda de la superficie, al encender el plotter y puesta la opción CHART(2.3 de la Figura 2) la hoja se adhiere a la superficie electrostáticamente, sin embargo debido al tiempo que tiene el equipo esta fuerza no es muy grande por lo que si la hoja tiene alguna esquina levantada se recomiendo colocarle un pequeño pedazo de tirro para evitar que el brazo graficador al regresar de graficar rompa la hoja.

3 3 Figura 1 Plotter. En la Figura 2 se muestran con mas detalle las partes de las escalas tanto del tiempo T como del eje X y eje Y. Figura 2 Escalas de tiempo, eje X y eje Y. En las prácticas de laboratorio el eje X será el tiempo y se trabajará en diversas escalas, según el sistema con el que se este trabajando, si el sistema tiene una respuesta lenta deberá colocarse por ejemplo la escala de 10 s/cm, de tal manera que la pluma se tardará 10 segundos en recorrer cada

4 4 Sistemas de Control Automático. Guía 2 centímetro de la hoja y si por el contrario la respuesta del sistema es rápida, deberá colocar una escala de por ejemplo 0.5 s/cm, así la pluma se tardará solamente 0.5 segundos en recorrer cada centímetro de la hoja. El bloque del eje X no se utilizará en las prácticas de laboratorio pues esta variable será el tiempo. Con respecto al eje Y, con este mediremos el voltaje siempre en la escala de 1 V/cm, el selector de calibración (4.2) deberá estar siempre en posición CAL, por lo que el control de sensibilidad variable (4.1) no se utilizará. La otra perilla de control de cero (4.4) servirá para que la pluma se coloque donde nosotros necesitemos el punto 0. En el bloque de la escala de tiempo también está el selector de operación (2.3) que sirve para controlar la pluma y el retenedor electrostático, si esta en posición OFF el retenedor electrostático del papel y el sistema de levantamiento de la pluma están apagados, si se coloca en CHART se activa el retenedor electrostático pero la pluma permanecerá levantada siempre y si se coloca en PEN estará activado el retenedor electrostático y la pluma automáticamente bajará al empezar la graficación y se levantará al terminar. El selector de repeticiones (2.2) sirve para la graficación, si está en 1X será una sola graficación e iniciará cuando se coloque en START (cuando inicia debe regresarse a 1X) y al terminar quedará a la espera de lo que indique el usuario, pero si se coloca en REP iniciará la gráfica y al terminar volverá a graficar y así se estará repitiendo hasta que se coloque en 1X. NOTA: Cuando la pluma recorre toda la hoja regresa automáticamente al punto de inicio (Tenga cuidado con esto ya que lo hace de manera rápida) Finalmente en la Figura 3 se muestra la parte de atrás del plotter que es donde se debe conectar el voltaje que se graficará en el eje Y, como se dijo anteriormente como eje X se utilizará el tiempo por lo que solo debemos conectar los puntos y - al punto de medición y tierra respectivamente. Figura 3 Escalas del ploter

5 5 PASOS PARA TRAZAR UN GRAFICO A continuación se enumeran los pasos necesarios para graficar con el plotter: A) Antes de encender el plotter coloque el selector de operaciones (2.3) en la posición OFF y coloque la hoja de papel milimetrado en la superficie electrostática, de tal manera que la esquina inferior izquierda de la hoja coincida con la esquina inferior izquierda de la superficie. B) Encienda el plotter y coloque el selector de operaciones (2.3) en CHART, esto debería adherir la hoja a la superficie, sin embargo si hay alguna esquina levantada colóquele un pedazo pequeño de tirro para evitar que al regresar el brazo graficador rompa la hoja. C) Destape la pluma y guarde el tapón para evitar que se pierda, coloque la pluma en el porta plumas del plotter de tal manera que en reposo la pluma no esté manchando el papel ya que al empezar a graficar bajará automáticamente lo cual arruinará la punta de la pluma. D) Ajuste las escalas de tiempo T y Y según se necesite para cada sistema. E) Con el control de cero del eje Y (4.4) coloque la pluma en un lugar conveniente de la hoja para que sea el punto Y=0. F) Para iniciar la graficación coloque el selector de operación (2.3) en PEN y pase el selector de repeticiones (2.2) a START un momento y cuando se empiece a graficar regréselo a la posición 1X. Debido a que el plotter es para tamaño A4 y la hoja de papel milimetrado es más pequeña, cuando observe que la pluma termina la parte milimetrada coloque el selector de operaciones (2.3) en CHART para que la pluma se levante y no manche la superficie electrostática. Procedimiento Notas: Lea la guía de laboratorio antes de realizar los procedimientos. Esto le ayudará a clarificar el objetivo perseguido, así como le ahorrará tiempo al ejecutar la práctica. Según el sistema que se le haya asignado iniciará en la parte I, II o III y luego se intercambiarán los sistemas para realizar las otras partes. PARTE I. PREPARACIÓN Y OBTENCIÓN DE GRAFICAS DE TEMPERATURA CON EL PLOTTER 1. Arme el sistema que se muestra en la Figura 4, pero no conecte el plotter aún, una los módulos por medio de puentes, no olvide colocar el switch 1 que se indica en la figura, este

6 6 Sistemas de Control Automático. Guía 2 debe estar en la posición de abierto, verifique con su docente de laboratorio las conexiones. Figura 4.Montaje del sistema térmico. 2. Mida con un termómetro la temperatura ambiente del laboratorio y anótela a continuación: ºC 3. Si ya está seguro de las conexiones encienda la fuente de alimentación y mida con el voltímetro el voltaje existente entre el punto que esta etiquetado como S en la Figura 4 y tierra, para ello seleccione en el multímetro la opción de Voltaje Directo (V=), luego conecte los terminales de la escala de 10V y 0 V= a los puntos correspondientes. Anote el valor obtenido: V. 4. El punto etiquetado como S es la salida del transductor que convierte la temperatura del sistema en voltaje (que en este caso seria la temperatura ambiente, pues la planta aun no está energizada ya que el switch está abierto), si la relación del transductor según se indica en el módulo es de 10 ºC por cada voltio, según la medida anterior Cuál es la temperatura ambiente?: ºC NOTA: Como puede ver, esta no coincide con la del paso 2 debido a que el transductor presenta un offset, por tanto para obtener el valor real de las siguientes mediciones deberá hacer una regla de tres, sabiendo que la temperatura que tomo en el paso 2 el transductor la lee como en el paso Apague la fuente de alimentación y conecte el plotter tal como se muestra en la Figura Siga los pasos para la graficación A, B y C de la introducción teórica (página 5 pasos para trazar un gráfico) 7. Realice los siguientes ajustes en el plotter: Selector de escala de tiempo: 1s/cm Selector de operación: PEN Selector de repeticiones: 1X Selector de escala en Y: 1V/cm Selector de calibración en Y: CAL 8. Realice el paso E de la introducción teórica.

7 7 9. Encienda la fuente de alimentación, como puede observar la pluma se desplaza hacia arriba, puesto que hay voltaje equivalente a la temperatura ambiente, pero para todo sistema necesitamos siempre graficar la referencia de 0, en este caso de 0 grados, por lo que para lograr eso en este sistema lo debemos hacer con el equipo apagado, así que apague la fuente. 10. Realice el paso F, esta gráfica será la de 0 grados, escriba esto junto a la gráfica. 11. Ahora se va a graficar otra referencia que será la temperatura ambiente, encienda la fuente y haga de nuevo el paso F, al terminar rotule también esta gráfica. 12. Calcule el valor de voltaje equivalente a la temperatura ambiente en la gráfica sabiendo que la escala en Y es de 1V/cm y anótelo a continuación Cómo se compara este valor con el obtenido en el paso 3? 13. Ya con las dos referencias necesarias para el sistema térmico se graficará la respuesta del sistema, para ello coloque la perilla del módulo voltaje de referencia (SET POINT) al 75% y cambie el selector de escala de tiempo a 20 s/cm 14. Inicie la graficación como en el paso F, pero esta vez cuando vea que la pluma ha recorrido dos o tres centímetros en la hoja milimetrada cierre el switch 1 que colocó, marque en la hoja cual fue el momento en el que se cerró el switch ya que ese punto será el origen de la gráfica. 15. Según lo indicado en la nota del paso 4 cual es el verdadero valor de temperatura a la que se estabilizó el sistema: ºC 16. Apague la fuente de alimentación y el plotter, retire la hoja, coloque su nombre y anote el tipo de sistema, las escalas que utilizó en los ejes X e Y. 17. Desconecte el circuito y deje ordenado su puesto de trabajo. PARTE II. PREPARACIÓN Y OBTENCIÓN DE GRAFICAS DE VELOCIDAD CON EL PLOTTER 1. Arme el sistema que se muestra en la Figura 5, pero no conecte el plotter aún, una los módulos por medio de puentes, no olvide colocar el switch 1 que se indica en la figura, este debe estar en la posición de abierto, verifique con su docente de laboratorio las conexiones. Figura 5. Montaje del Motor Generador.

8 8 Sistemas de Control Automático. Guía 2 2. Coloque la perilla del módulo de voltaje de referencia (SET POINT) a 80%. 3. Si ya está seguro de las conexiones encienda la fuente de alimentación, cierre el switch y mida con el voltímetro el voltaje existente entre el punto que esta etiquetado como S en la Figura 5 y tierra, para ello seleccione en el multímetro la opción de Voltaje Directo (V=), luego conecte los terminales de la escala de 10V y 0 V= a los puntos correspondientes. Anote el valor obtenido: V. 4. El punto etiquetado como S es la salida del transductor que convierte la velocidad del sistema en voltaje, si la relación del transductor según se indica en el módulo es de 1000 RPM por cada voltio, según la medida anterior A que velocidad se estabiliza el sistema?: RPM 5. Para todo sistema es necesario graficar un valor de referencia 0, en este caso de 0 RPM, para hacer esto debemos tener el switch 1 abierto para graficarlo, así que abra de nuevo el switch 1 y conecte el plotter como se indica en la Figura 5 6. Siga los pasos para la graficación A, B y C de la introducción teórica (página 5 pasos para trazar un gráfico). 7. Realice los siguientes ajustes en el plotter: Selector de escala de tiempo: 0.5 s/cm Selector de repeticiones: 1X Selector de escala en Y: 1V/cm Selector de calibración en Y: CAL 8. Realice el paso E y F de la introducción teórica. Como se indicó en el paso 5 esa gráfica será la de 0 RPM, escriba esto junto a la gráfica. 9. Ya con la referencia necesaria se graficará la respuesta del sistema, inicie la graficación como en el paso F, pero esta vez cuando vea que la pluma ha recorrido dos o tres centímetros en la hoja milimetrada cierre el switch 1 que colocó, marque en la hoja cual fue el momento en el que se cerró el switch ya que ese punto será el origen de la gráfica. 10. Calcule el valor de voltaje equivalente a la velocidad estable en la gráfica sabiendo que la escala en Y es de 1V/cm y anótelo. Cómo se compara este valor con el obtenido en el paso 3? 11. Apague la fuente de alimentación y el plotter, retire y tape la pluma, retire la hoja, coloque su nombre y anote el tipo de sistema, las escalas que utilizó en los ejes X e Y. 12. Desconecte el circuito y deje ordenado su puesto de trabajo. PARTE III. PREPARACIÓN Y OBTENCIÓN DE GRAFICAS DE PRESIÓN CON EL PLOTTER 1. Arme el sistema que se muestra en la Figura 6, pero no conecte el plotter aún, una los módulos por medio de puentes, no olvide colocar el switch 1 que se indica en la figura, este debe estar en la posición de abierto, verifique con su docente de laboratorio las conexiones.

9 9 Figura 6. Montaje del Sistema Hidráulico. 2. Coloque la perilla del módulo de voltaje de referencia (SET POINT) a 95%. 3. La válvula de entrada del tanque debe estar abierta por arriba, para ello gire la perilla blanca que esta encima del tanque en la esquina superior izquierda de tal forma que queden al frente los puntos verde arriba y rojo abajo, mientras que la válvula de salida debe estar abierta al mínimo, para ello gire la otra perilla blanca que esta encima del tanque en sentido de las agujas del reloj y deje al frente el primer punto verde que sigue al punto rojo. 4. Si ya está seguro de las conexiones encienda la fuente de alimentación, cierre el switch 1 y espere que el tanque se llene a la mitad de la primera división, luego abra el switch 1 y espere que se vacíe de nuevo. Se hace esto para que el tanque no este seco cuando se quiera ajustar un valor de presión 0 cuando el tanque esta vacío. 5. A continuación se va a calibrar el transductor de presión del tanque para ello mida con el voltímetro el voltaje existente entre el punto que esta etiquetado como S en la Figura 6 y tierra, para ello seleccione en el multímetro la opción de Voltaje Directo (V=), luego conecte los terminales de la escala de 10V y 0 V= a los puntos correspondientes. Debería obtener un valor de 0 V en ese punto ya que es la salida del transductor que convierte la presión del sistema en voltaje, y con el tanque vacio la presión debe de ser cero. Si no es cero ajuste cuidadosamente con la perilla llamada Zero Point del módulo Convertidor P/V para que haya 0 voltios en este momento que la presión es cero. 6. Para todo sistema debe graficarse un valor de referencia 0, en este caso de 0 Pa, para hacer esto debemos mantener el switch 1 abierto para graficarlo, conecte el plotter como se indica en la

10 10 Sistemas de Control Automático. Guía 2 Figura 6 7. Siga los pasos para la graficación A, B y C de la introducción teórica (página 5 pasos para trazar un gráfico). 8. Realice los siguientes ajustes en el plotter: Selector de escala de tiempo: 1s/cm Selector de repeticiones: 1X Selector de escala en Y: 1V/cm Selector de calibración en Y: CAL 9. Realice el paso E y F de la introducción teórica. Como se indicó en el paso 6 esa gráfica será la de 0 Pa, escriba esto junto a la gráfica. 10. Ya con la referencia necesaria se graficará la respuesta del sistema, para ello cambie el selector de escala de tiempo a 10 s/cm inicie la graficación como en el paso F, pero esta vez cuando vea que la pluma ha recorrido dos o tres centímetros en la hoja milimetrada cierre el switch 1 que colocó, marque en la hoja cual fue el momento en el que se cerró el switch ya que ese punto será el origen de la gráfica. 11. Calcule el valor de voltaje equivalente a la presión estable en la gráfica sabiendo que la escala en Y es de 1V/cm. Compare este valor con el valor que esta dando el voltímetro ahora que se ha estabilizado la presión. 12. Si la relación del transductor es de 200Pa por cada voltio, según la medida anterior A que presión se estabiliza el sistema?: Pa. 13. Apague la fuente de alimentación y el plotter, retire y tape la pluma, retire la hoja, coloque su nombre y anote el tipo de sistema, las escalas que utilizó en los ejes X e Y. 14. Desconecte el circuito y deje ordenado su puesto de trabajo. Análisis de Resultados 1. Presente las gráficas y las respuestas a las preguntas realizadas a lo largo del procedimiento. 2. En base al trazo obtenido de cada sistema indique a qué orden pertenece su función de transferencia. Bibliografía Ingeniería de Control Moderna. Tercera Edición. Prentice Hall. Katsuhiko Ogata. Sistemas de Control automático. Septima Edición. Prentice Hall. Benjamin Kuo.

11 11 Hoja de cotejo: 2 Guía 2: Instrumentación y Conocimiento del Equipo Alumno: Docente: Puesto No: GL: Fecha: EVALUACION % Nota CONOCIMIENTO 25 Conocimiento deficiente de los siguientes fundamentos teóricos: -Partes de un sistema de control Automático y sus funciones. -Partes del Graficador y sus funciones. APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 70 Cumple solo con uno de los siguientes criterios: -Identifca la función de los módulos del laboratorio de Instrumentación y Control -Arma correctamente los sistemas utilizando los paneles de Instrumentación y Control -Calibra y utiliza correctamente el graficador (plotter) para obtener las gráficas de voltaje de diferentes plantas. Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos. Cumple con dos de los criterios. ACTITUD 2.5 Es un observador pasivo. Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con su compañero. TOTAL 2.5 Es ordenado pero no hace un uso adecuado de los recursos. Hace un uso adecuado de lo recursos, respeta las pautas de seguridad, pero es desordenado. Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos. Cumple con los tres criterios. Participa propositiva e integralmente en toda la práctica. Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.