Tema: Instrumentación y Conocimiento del Equipo

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1 Sistemas de Control Automático. Guía 1 1 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Sistemas de Control Automático. Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta). Tema: 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 Utilizar osciloscopios digitales para obtener las gráficas de voltaje de diferentes plantas Materiales y equipo 1 Termómetro 1 Fuente de alimentación 15 VDC [SO3538-8D] 1 Referencia de voltaje [SO3536-5A] 1 Amplificador de potencia [SO3536-7Q] 1 Sistema controlado de temperatura [SO3536-8T] 1 Módulo con bomba [SO3536-9H] 1 Módulo con tanque de llenado [SO3536-9K] 1 Convertidor de presión a voltaje [SO3535-7U] 1 Voltímetro de bobina móvil [SO5127-1H] 2 Puntas para voltímetro 1 Computadora con Run Intuilink Data Capture y PicoScope instalado 1 Osciloscopio digital [DSO1052B] 1 PicoScope 2204A 2 Puntas para el osciloscopio DSO1052B 2 Puntas para el PicoScope Cable USB tipo A/B 5 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

2 2 Sistemas de Control Automático. Guía 1 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 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 los siguientes elementos básicos: Señal de Referencia (Setpoint o consigna): es una señal de entrada conocida que nos sirve para calibrar al sistema. Detector de error: como su nombre lo indica obtiene una señal de error de la diferencia entre la señal de referencia y la de realimentación. Controlador: gobierna el comportamiento del sistema en función de la señal de error. Actuador: es un elemento que recibe una orden desde el regulador o controlador y la adapta a un nivel adecuado según la variable de salida necesaria para accionar el elemento final de control, planta o proceso. 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. Transductor: transforma una magnitud física en otra que es capaz de interpretar el sistema. La señal del transductor se realimenta para confrontarla con la señal de referencia, y de esta forma realizar o no una acción correctiva en el sistema. El laboratorio de Instrumentación y Control nos permitirá trabajar y conocer el comportamiento y la relación que guardan estos 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 esto 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 multímetros de bobina móvil y para obtener gráficas de voltaje de los sistemas se utilizará un osciloscopio digital DSO1052B marca Agilent/Keysight o un PicoScope 2204A. Para analizar sistemas de control automático se utilizará el programa MATLAB con su toolbox de sistemas de control y su entorno de programación visual Simulink.

3 Sistemas de Control Automático. Guía 1 3 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. Los grupos iniciarán con la parte I o II según el sistema que se le haya asignado y luego se intercambian PARTE I. SISTEMA DE TEMPERATURA Para esta parte utilizará el PicoScope para obtener las gráficas de salida del sistema 1. Arme el sistema que se muestra en la Figura 1.1, uniendo los módulos por medio de puentes, no olvide colocar el puente #1, puente #2 y el switch 1 que se indican en la figura, el switch 1 debe estar en la posición de abierto, verifique con el docente de laboratorio las conexiones. Figura 1.1. 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 1.1 y tierra, para ello presione en el multímetro el botón 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 sería la temperatura ambiente, pues la planta aun no está energizada ya que el switch 1 está abierto), si la relación del transductor según se indica en el módulo es de 10 C por cada voltio, según la medida anterior Cuál es la temperatura ambiente?: C. 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 mediciones posteriores, deberá hacer una regla de tres, sabiendo que la temperatura que tomó en el paso 2 el transductor la lee como en el paso Revise las conexiones con el docente de laboratorio, si todo es correcto conecte el PicoScope mediante el cable USB a la computadora, conecte el canal A del PicoScope a la entrada del módulo Amplificador de potencia (indicado como YR en el módulo) y el canal B a la salida del transductor. No olvide conectar el terminal de tierra de una de las puntas a 0V en el sistema 6. Encienda la computadora y abra el programa PicoScope (si se indica que el PicoScope no se reconoce intente en otro puerto USB), coloque la escala tanto del canal A como del B en ± 20V

4 4 Sistemas de Control Automático. Guía 1 y la escala de tiempo en 20 s/div (Ver Figura 1.2). Figura 1.2. Escalas del canal A y canal B del PicoScope. 7. Si está utilizando puntas con atenuación recuerde dejarlas en la opción 1X (ver Figura 1.3) y continúe con el paso 8, si son las puntas del osciloscopio Agilent/Keysight será necesario indicar en el PicoScope (en el canal correspondiente) que la punta tiene una atenuación de x10 como se indica en la Figura 1.4 Figura 1.3. Selección de la atenuación de la punta del osciloscopio para PicoScope. Figura 1.4 Selección de atenuación de la sonda si se están utilizando las Agilent/Keysight. 8. Presione el botón Parar para detener la captura (Ver Figura 1.5), luego presione el botón Ir, la ventana se limpia e inicia la graficación. Figura 1.5 Botones para Iniciar y Parar la graficación en el PicoScope. 9. Como puede observar la señal del canal B que es la salida del transductor es diferente de cero,

5 Sistemas de Control Automático. Guía 1 5 puesto que hay voltaje equivalente a la temperatura ambiente, detenga la graficación dando clic en el botón Parar. 10. Mida el voltaje equivalente a la temperatura ambiente en la gráfica utilizando un cursor, para ello como se muestra en la Figura 1.6 de clic en el cuadrado y arrástrelo hacia donde se encuentra la señal, en pantalla se mostrará el valor, anótelo: V. De la misma forma es posible utilizar un segundo cursor si se necesita y también se mostrará la diferencia entre el valor de uno y otro. Para eliminar el o los cursores simplemente cierre la ventana donde se muestra el valor de estos. Figura 1.6. Cursores en PicoScope. 11. Cómo se compara este valor con el obtenido en el paso 3? 12. Ajuste el voltaje de referencia del sistema (módulo Setpoint) al 80%, inicie la graficación, y esta vez cuando las señales pasen por la línea de 20s, cierre el switch 1 para obtener la respuesta del sistema a una entrada escalón. 13. Deje que la gráfica termine en la primera pantalla y pase a la siguiente para estar seguros de que el sistema ha alcanzado la estabilidad, cuando observe que la gráfica se ha estabilizado, presione el botón Parar para detener la graficación. 14. Puede desplazarse entre las señales que almacenó el PicoScope dando clic en los botones Anterior y Siguiente. (Ver Figura 1.7). Figura 1.7. Botones para desplazarse entre las señales que se guardaron en la memoria. 15. En la segunda pantalla mida el valor de voltaje equivalente al valor de temperatura en que se estabilizó el sistema: V. Tomando en cuenta la nota del paso 4 a que valor de temperatura real se estabilizó el sistema? C. 16. Para guardar las señales en la computadora vaya al menú Archivo, luego elija Guardar todas las señales como..., se abrirá un cuadro de dialogó donde es posible seleccionar como se guardarán las señales y si se almacenará solo una, un rango o todas. Elija la ruta donde las desea almacenar, en Tipo seleccione PNG(*.png), coloque un nombre para el archivo y en Opciones seleccione Todas las formas de onda (conteo:2) y de clic en Guardar.

6 6 Sistemas de Control Automático. Guía Vaya a la ruta y verá que se almacenaron las dos imágenes.png de la señal, si se quisieran los puntos x y y de las gráficas entonces debe almacenar las señales como.txt. 18. Cierre el programa PicoScope, apague la fuente de alimentación, desconecte el sistema y apague la computadora. PARTE II. SISTEMA HIDRÁULICO Para esta parte utilizará el osciloscopio DSO1052B para obtener las gráficas de salida del Guía básica para el uso del osciloscopio DSO1052B 1. Conecte la alimentación del osciloscopio y enciéndalo presionando la tecla correspondiente ubicada en la parte superior. Figura 1.8. Encendido del osciloscopio. 2. Conecte una de las sondas o puntas al canal 1 del osciloscopio y luego a la señal de prueba Probe comp (ubicada en la esquina inferior derecha del osciloscopio, ver Figura 1.13). Si está usando las puntas del fabricante del osciloscopio (Agilent/Keysight) continúe con el paso 3, sino asegúrese que el selector de atenuación esté puesto en 10X (ver Figura 1.9). Figura 1.9. Selección de la atenuación de la punta del osciloscopio. 3. Presione en el osciloscopio la tecla Default Setup (Figura 1.12) para que se coloquen los ajustes que trae por defecto el osciloscopio. 4. Presione la tecla selección de canal 1 (Ver Figura 1.10), en la pantalla debe mostrarse el menú para las opciones del canal CH1, tales como: acople, límite de banda, sonda, etc. Si se requiere cambiar alguno de estos parámetros ubíquese en la tecla programable (ver Figura 1.11) que esté junto al parámetro a cambiar. Por ejemplo para cambiar el acople del osciloscopio presione la tecla que está a la par de la opción, aparecerá un submenú, luego con la perilla de selección (ver Figura 1.12) verá que puede desplazarse entre las opciones CC, CA y GND, en este caso elija CC (corriente continua), presione la misma perilla para seleccionarla y para apagar el menú

7 Sistemas de Control Automático. Guía 1 7 presione la tecla correspondiente Menu On/Off (Ver Figura 1.11). 5. En pantalla debe mostrarse la señal de Probe Comp según la referencia y las escalas de voltaje y tiempo que coloca por defecto el osciloscopio, pero para obtener una mejor visualización de la misma, presione la tecla de Auto Scale (ver Figura 1.12) para que el osciloscopio seleccione la referencia y las escalas de voltaje y tiempo en las que se verá mejor la señal medida, deberá ver la señal que se muestra en la Figura Figura Control de los canales. Figura Opciones canal 1 y señal de prueba.

8 8 Sistemas de Control Automático. Guía 1 Figura ubicación de la perilla de selección y de escala horizontal, tecla de autoescala y control de ejecución. Figura Teclas de Menú y señal de prueba. 6. Presione de nuevo la tecla Menu On/Off para apagar el menú que se desplegó. 7. En pantalla aparece el valor tanto de la escala de voltaje como de tiempo que seleccionó el osciloscopio (ver Figura 1.11), cambie la escala de voltaje con la perilla de escala vertical del canal 1 (ver Figura 1.10) a 1.00V/ y la escala de tiempo a 200.0us/ con la perilla de escala horizontal (ver Figura 1.12). 8. Cambie el acople del canal 1 a GND para verificar donde está la referencia de la señal, comprobará que fue colocada en la penúltima linea horizontal de la pantalla. Con la perilla de posición del canal (ver Figura 1.10) puede mover esta referencia, colóquela en la línea central de la pantalla y luego regrese el acople a CC. 9. Presione la tecla de menú Cursors (ver Figura 1.13), se desplegará un menú, en Modo cámbielo

9 Sistemas de Control Automático. Guía 1 9 a Manual, se desplegarán nuevas opciones, en la opción Tipo elija Amplitud, en fuente CH1 y que este activado solamente el cursor A (marcado en celeste el símbolo de selección ), apague el menú con la tecla Menú On/Off y con la perilla de selección mueva el cursor al tope de la señal para saber su valor pico a pico, el cursor A, denominado como CurA deberá indicar un valor aproximadamente de 2.8 a 3.00V. 10. Presione de nuevo la tecla de menú Cursors, desactive el cursor A dando clic en el símbolo correspondiente y active el B, mueva ahora con la perilla de selección y desplace el cursor B a la parte inferior de la señal verá que se muestra el valor de 0.00V en este cursor. En pantalla entonces se mostrará el valor del cursor A (aprox. 3V), el valor del cursor B (0.0V) y la diferencia de ambos cursores B-A ( y aprox. -3V). 11. La tecla Run/Stop sirve para detener la adquisición de datos del osciloscopio y capturar en pantalla la última señal adquirida para analizarla, presione esta tecla, observará que se torna de color rojo y que en pantalla se muestra la última señal adquirida, presione de nuevo la tecla para que el osciloscopio siga adquiriendo datos, la tecla vuelve a amarillo y se muestra en pantalla las señales que se adquieren en ese momento. 12. Si desea ver también la señal del canal 2 presione la tecla para seleccionar ese canal, deberá mostrarse en pantalla una señal de color verde, si quiere dejar de ver algún canal, desactívelo presionando la tecla correspondiente, la tecla se apagará y la señal ya no se mostrará. 13. Si se desea almacenar o ver la señal del osciloscopio en la computadora conéctela por medio de un cable USB tipo A/B al puerto USB del osciloscopio en la parte posterior (Ver Figura 1.14). Figura Puerto USB del osciloscopio para conectarse con la computadora. 14. Ubique y abra el programa Run intuilink Data Capture. 15. Se abrirá la ventana del programa, ahí seleccione del menú Instruments la opción Agilent 1000 series. 16. Si le aparece la primera ventana de la Figura 1.15 continúe con el paso 17 y si es la de la Figura 1.17, simplemente presione OK en la ventana y continúe con el paso De clic en el botón Find Instrument, el programa abrirá otra ventana (segunda imagen de la Figura 1.15), ahí presione Identify Instruments deberá mostrar el osciloscopio en la lista de instrumentos identificados, de clic sobre el nombre para seleccionarlo y luego presione OK en ambas ventanas.

10 10 Sistemas de Control Automático. Guía 1 Figura Ventanas Agilent 1000 Series Add-In y Find Instruments. 18. El osciloscopio hará la primera captura con parámetros que alguien ajustó anteriormente, se esperaría ver una ventana con la imagen de la pantalla del osciloscopio y otra que contiene los puntos de la señal, sino es así probablemente es por la configuración de las opciones de captura. Figura Primeras capturas del Intuilink. NOTA: Una vez el osciloscopio ha sido reconocido por Intuilink este ya no responde si se le quiere cambiar una opción mediante las teclas o perillas, para realizar un cambio en el mismo deberá desconectarlo de la PC, cambiar lo que se desea y realizar otra vez el proceso de conexión con Intuilink. 19. Para cambiar los parámetros de captura, seleccione del Menú Instruments la opción DSO1052B, si selecciona las opciones que se muestran en la Figura 1.17, se va a adquirir únicamente la imagen de la pantalla del osciloscopio y sin invertir los colores de esta, si desea adquirir también los puntos X-Y de la señal deberá seleccionar la opción Get Waveform Data.

11 Sistemas de Control Automático. Guía 1 11 Presione OK para realizar la captura. Figura Pestaña Get Waveform Data. Nota: La opción Enable run after get waveform complete se selecciona si se desea que en cuanto se haga la captura, el osciloscopio automáticamente se ponga en run y siga adquiriendo señales. 20. Para guardar la imagen de clic sobre la ventana de la captura de pantalla (que tendrá el nombre de screen y un número) y elija guardar como, esta se guardara en formato.png. De igual forma si se desean guardar los puntos de la señal X-Y debe de dar un clic encima de la ventana de puntos de la gráfica (tiene el nombre de Waveform y un número), chequear la opción Include X-axis data on save y luego guardar como. 21. Desconecte por el momento el osciloscopio de la computadora y apáguelo. 22. Arme el sistema que se muestra en la Figura 1.18, uniendo los módulos por medio de puentes, no olvide colocar el switch 1, este debe estar en la posición de abierto, verifique con el docente de laboratorio las conexiones. 19. Coloque la perilla de entrada del tanque (ubicada en la esquina superior izquierda) con los puntos verde arriba y rojo abajo al frente, lo que indica que la entrada en el fondo del tanque está bloqueada y solamente entra el líquido por el orificio superior. 20. En la perilla de salida (esquina superior derecha) los diferentes tamaños del punto verde indican la apertura de la válvula y el punto rojo que está completamente cerrada, deje la válvula cerrada ubicando el punto rojo al frente. 21. Asegúrese que el tubo de medición del sensor de presión este dentro del orificio indicado y que también este fijado en el orificio inferior del tanque. 22. Pida al docente de laboratorio que revise las conexiones antes de continuar. 23. A continuación se va a ajustar el valor de 0 del transductor de presión, para ello encienda la

12 12 Sistemas de Control Automático. Guía 1 fuente, coloque la perilla del voltaje de referencia (SET POINT) al máximo y cierre el switch 1, la bomba de llenado deberá activarse y el tanque empezará a llenarse, deje que se llene un poco y abra el switch. Figura Montaje del Sistema Hidráulico. 24. Vacíe el tanque abriendo la válvula de salida (cualquier punto verde al frente), cuando ya esté completamente vacío mida con el voltímetro el voltaje existente entre el punto que esta etiquetado como S en la Figura 1.18 y tierra, para ello presione en el multímetro el botón de Voltaje Directo (V=), luego conecte los terminales de la escala de 10V y 0 V= a los puntos correspondientes. 25. 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 vacío 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. 26. Una vez ajustado el valor de 0 V, coloque la válvula de salida al mínimo girando la perilla en sentido de las agujas del reloj y dejando al frente el primer punto verde que sigue al punto rojo. 27. Coloque la perilla del módulo de voltaje de referencia (SET POINT) al 80%. 28. Conecte el canal 1 del osciloscopio a la entrada del módulo Amplificador de potencia (indicado como YR en el módulo) y el canal 2 en la salida del transductor presión/voltaje (punto etiquetado como S en la Figura 1.18). No olvide conectar el terminal de tierra de una de las puntas a 0V en el sistema. 29. Encienda el osciloscopio y coloque la referencia de los dos canales en la penúltima línea horizontal de la pantalla del osciloscopio. 30. Ajuste las escalas de voltaje de ambos canales en 2.00V/ con las correspondientes perillas de escala vertical (ver Figura 1.10) en la parte inferior se mostrarán y la escala de tiempo en 20.00s/ con la perilla de escala horizontal. 31. Con la perilla Ajuste a cero horizontal (Ver Figura 1.12) coloque el inicio de la graficación

13 Sistemas de Control Automático. Guía 1 13 que tiene este símbolo el mensaje Posición de disparo en el límite ). a la izquierda en el tope de la pantalla del osciloscopio (aparecerá 32. En las teclas de menú, ver Figura 1.13, seleccione Display, luego en el menú que se despliega en pantalla, ubique la opción Persistenc y con la tecla programable correspondiente elija la opción Infinito. 33. Siempre en el menú de Display seleccione la opción Limpiar, unos segundos después de realizado esto iniciará la graficación, deberá observar que ambas señales están en cero voltios si se calibró correctamente el 0 del transductor. 34. Limpie de nuevo la pantalla como lo hizo en el paso anterior, y esta vez cuando las señales pasen por la segunda o tercera linea vertical de la pantalla del osciloscopio, cierre el switch 1 para obtener la respuesta del sistema a una entrada escalón. 35. Deje que la gráfica termine en la pantalla y vuelva a comenzar y cuando observe que la gráfica se ha estabilizado, presione dos veces la tecla Run/Stop para detener la graficación. 36. Anote el valor que se indica en el voltímetro ahora que se ha estabilizado la presión V. 37. Obtenga el valor de voltaje equivalente a la presión estable en la gráfica ya sea con el cursor o manualmente sabiendo que la escala en Y es de 2V/div V. Compare este valor con el valor obtenido en el paso Si la relación del transductor es de 200Pa por cada voltio, según la medida anterior A que presión se estabiliza el sistema?: Pa. 39. Conecte el osciloscopio a la computadora y capture la imagen actual de la pantalla del osciloscopio y guárdela. 40. Apague la fuente de alimentación, desconecte el sistema y apague la computadora. Análisis de Resultados 1. Presente las gráficas y las respuestas a las preguntas realizadas a lo largo del procedimiento. Bibliografía Ogata, K., (2010), Ingeniería de Control Moderna, Madrid, España: Pearson Educación, S.A. Kuo, B., (1996), Sistemas de Control Automático, México DF, México: Prentice Hall Hispanoamericana, S.A.

14 14 Sistemas de Control Automático. Guía 1 Hoja de cotejo: 1 Guía 1: Instrumentación y Conocimiento del Equipo Alumno: Docente: Puesto No: GL: Fecha: EVALUACIÓN % Nota CONOCIMIENTO 25 Conocimiento deficiente de los siguientes fundamentos teóricos: -Partes de un sistema de control automático y sus funciones. -Partes del osciloscopio y sus funciones. APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 70 Cumple solo con uno de los siguientes criterios: -Identifica la función de los módulos del laboratorio de Instrumentación y Control -Arma correctamente los sistemas utilizando los paneles de Instrumentación y Control. -Utiliza correctamente el osciloscopio para obtener las gráficas de voltaje de las plantas. -Utiliza correctamente el PicoScope para obtener las gráficas de voltaje de las plantas. Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos. Cumple con dos o tres 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 cuatro 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.