Universidad Simón Bolívar Núcleo del Litoral Departamento de Tecnología Industrial TI Laboratorio de Sistemas de Control

Transcripción

1 Universidad Simón Bolívar Núcleo del Litoral Departamento de Tecnología Industrial TI Laboratorio de Sistemas de Control PRACTICA 7a. Introducción a las plantas del laboratorio de Sistema de Control Control de Presión Descripción de la Planta: Esta planta está compuesta por dos módulos, El módulo G35 y el Módulo TY35, los cuales se describen a continuación, Ver figura 1. Figura 1: Módulo G35. En la parte superior derecha se encuentran ubicados los bornes para la conexión de los voltajes de polarización requeridos por el módulo G35. A la derecha se localizan los bornes para la conexión de la unidad TY35/EV.

2 Set Point: Este bloque genera la señal de SET POINT o de referencia, la cual puede ir de 0 hasta 8V. Como puede verse en la figura 2, esta etapa está constituida por R1, R2, RV1, C1 y el circuito regulador Z1, el cual suministra la tensión estabilizadora de referencia de 8V requerida en la etapa CONDITIONER. Figura 2: Set Point. Amplificador de Error: El bloque Error Amplifier está constituido por el circuito de la figura 3. Como se puede observar, está constituido básicamente por un amplificador operacional en configuración diferencial. Su finalidad es generar una señal de Error durante el proceso en malla cerrada, por esta razón se conecta a una de las entradas del amplificador la señal de referencia (salida del bloque SET POINT) y a la otra entrada, la señal de realimentación (salida del bloque CONDITIONER). Figura 3: Diagrama del circuito Error Amplifier

3 Controlador PID: Esta etapa realiza las acciones de control proporcional, integral y derivativa en el proceso cuando se opera en Lazo Cerrado. El componente activo que se utiliza para realizar dichas acciones está constituido por un amplificador operacional en configuración inversora. El efecto de la acción de control proporcional se tiene cuando se varía el valor de P1, provocando un aumento en la ganancia y disminución de la señal de error. La acción de control integral está realizada por las resistencias R1 y R7 y los capacitores C4, C5 y C6, los cuales pueden conectarse uno a la vez o en combinación, variando así la constante de tiempo de la acción integral. Al integrar la señal de error puede llegar a obtenerse una condición de error nulo, con la desventaja de poner al sistema en una condición de oscilaciones permanentes o amortiguadas. La acción de control derivativa está realizada por las resistencias R2 y Req y los capacitores C1, C2 y C3. En este caso también pueden conectarse uno a la vez o en combinación. Esta acción tiene el inconveniente de generar una salida nula cuando hay un error constante diferente de cero, razón por la cual nunca se le utiliza sola, sino en combinación con la integral y/o la proporcional. La razón de utilizar esta acción de control se debe a que el efecto de ésta, logra estabilizar nuevamente al sistema que resulta inestable a causa del efecto de la acción proporcional y/o integral.

4 Figura 4: Diagrama del Circuito de control PID. Amplificador de Potencia para la Válvula Proporcional. La señal de entrada que se conecta a este bloque es utilizada para generar la señal que gobernará al transistor T1, cuya función es la de regular la corriente que fluye en el transistor T2 y por lo tanto en la válvula proporcional (PROP VALVE). Así, al valor de la corriente de la base de T1 quedarán vinculadas tanto la corriente del colector como el voltaje de la base de T2 y la caída de voltaje sobre las resistencias R8 y R9. Figura 5: Diagrama del circuito del Amplificador de Potencia. Acondicionador del Transductor de Presión: Para medir la presión de la unidad TY35/EV, se utiliza un transductor de presión con

5 cuatro Straingates (extensímetros) conectados a modo de puente de Wheatstone. Una de las diagonales del puente se alimenta con el voltaje de referencia de 8 V (Vref) generado por el bloque Set Point. La diagonal opuesta del puente suministra la tensión de medida, la cual es proporcional a la presión del depósito de la unidad TY35/EV. Dicha tensión es filtrada y amplificada por el amplificador operacional IC1. La salida de IC1 se conecta a la entrada inversora de IC2, cuya ganancia está dada por la relación (R8+RV2)/R5. La señal proveniente del grupo R6, R7 y RV1 sirve para ajustar la señal de salida de IC2 en 0V cuando se tiene una presión nula. Figura 6:Diagrama del Acondicionador de Señal. Unidad TY35/EV

6 Figura 7: Unidad TY35/EV Motor: Se localiza en la parte izquierda anterior del módulo TY35, se alimenta del voltaje de línea (127 Volts alterna) y su función es accionar el compresor. Válvulas: a) Válvula proporcional. Se localiza en la parte superior derecha, se encarga de mantener en la planta una presión fijada por el valor de referencia. b) Válvula auxiliar. Se encuentra en la parte superior derecha, en color rojo, como su nombre lo dice, ésta solo debe usarse cuando la presión en el deposito aumente en forma drástica (debido a una mala conexión en el sistema controlador), su activación es manual, y es responsabilidad del alumno activarla si surge esta condición. c) Válvula de Seguridad. Está diseñada para activarse cuando la presión en el interior del depósito sea mayor a 2 bares, cuando esto suceda, desconecte el motor de la línea de alimentación y accione la válvula auxiliar para descargar la presión.

7 Control de Velocidad Descripción de la Planta: El sistema consta de dos módulos, el módulo G36A y el módulo TY36A/EV, los cuales se describen en esta sección presentando una breve explicación de cada uno de ellos. El módulo G36A, que lleva el nombre de Control de Velocidad y Posición con Transductores ( Speed & Position Control with Transducer ), es un sistema muy útil para estudiar el comportamiento teórico experimental de las técnicas básicas de control aplicadas a la regulación de la velocidad angular de un motor de corriente continua. Como se observa en la figura 8, este módulo se compone a su vez de un conjunto de diez bloques, los cuales realizan cada uno una función específica. Además, muestra las conexiones que unen a los diferentes bloques, así como los puntos de medición. En la parte superior derecha muestra los bornes de conexión con los diferentes voltajes de alimentación. A la derecha del módulo se encuentran dos bornes para la conexión al motor de corriente directa y una base de 8 polos para el conductor procedente del transductor ubicado en el módulo TY36A/EV.

8 Figura 8: Módulo G36A. Set point: Este bloque, denominado Set Point o módulo de entrada de referencia tiene la finalidad de proporcionar la señal de entrada al circuito. En el circuito mostrado, Z1 y Z2 son reguladores de tensión variable (junto con RV1 y RV2). Con el potenciómetro P1 se regula el valor de la tensión de salida de este circuito la cual servirá como señal de referencia del sistema de control.

9 Figura 9: Diagrama del circuito de la entrada de referencia. Amplificador de error: Este bloque realiza la comparación entre el valor de entrada, proveniente del Set Point y el valor obtenido a la salida del sistema, con el objeto de generar la señal de error. (E). El módulo G36A cuenta con dos bloques de este tipo ( ERROR AMPLIFIER 1 y ERROR AMPLIFIER 2 ), cuyo diagrama se muestra en la figura 10. El circuito está constituido básicamente por un amplificador operacional en configuración diferencial, cuya salida es el resultado de la diferencia de las dos entradas presentes afectada por la razón R4/R1. El potenciómetro RV1 sirve para poner el offset del amplificador operacional en el nivel de cero. Figura 10: Diagrama del amplificador de error.

10 Controlador PID: Este bloque proporciona un controlador versátil que puede tomar las configuraciones P, I o D por separado, o bien un control combinado de ellos mediante el puenteo de algunos bornes específicos, ver la figura 11. Figura 11: Diagrama de bloques del Controlador PID. Limitador de corriente: La función de esta etapa es la de limitar la corriente del motor que se encuentra en el módulo TY36A/EV. Opera de la siguiente manera: se envían las tensiones provenientes de los extremos de las resistencias R1 y R2 que representan la corriente que circula por ambas ramas del puente a la entrada del amplificador operacional (IC1) conectado en configuración diferencial. Por lo tanto, la tensión de salida de IC1 será proporcional a la corriente que circula por el motor y conjuntamente con la señal proveniente de la salida del controlador PID se envía a la entrada del segundo amplificador operacional (IC2), cuando la corriente supera el límite máximo fijado por RV2 la señal de corriente se hace igual a la proveniente del controlador PID y el motor se detiene ya que la diferencia es nula.

11 Figura 12: Diagrama del Limitador de Corriente. Acondicionador del tacogenerador de directa: Para evitar que la constante del tacogenerador sufra variaciones al cargarse demasiado al tacogenerador, se utiliza un amplificador IC1 en configuración seguidor de tensión formando así un limitador que sirve para evitar este inconveniente. Mientras que el capacitor C1 funciona como filtro, cuya función es la de limitar la influencia de la ondulación residual. Este tipo de transductor proporciona una tensión de salida continua de valor proporcional a la velocidad angular, que se adapta mejor a los demás módulos, su esquema se muestra en la figura 13. Figura 13: Diagrama del acondicionador de señal del Tacogenerador de Directa. Detector de velocidad: Este transductor que se basa en la reacción de armadura del motor de corriente continua que se encuentra localizado en el módulo TY36A/EV. Como se observa

12 en la figura 14, este bloque usa dos amplificadores operacionales IC1 e IC2. IC1 se utilizado en configuración diferencial siendo su salida proporcional a la diferencia de los niveles A y B, el factor de proporcionalidad es R9 / R1. IC2 está conectado también en configuración diferencial. Con E como la entrada que procede del limitador de corriente y que representa el valor de la corriente del motor. A través de RV1 puede variarse la ganancia de IC2, de manera que a una cierta velocidad angular corresponda una tensión bien determinada, dada con la siguiente expresión G = volts r. p. m. Figura 14: Diagrama del acondicionador de señales para el tacogenerador de alterna. Medidor digital de RPM s: La señal suministrada por los transductores fotoeléctricos de regulación necesita para poder ser visualizada en algún indicador (display), es necesario utilizar un convertidor de frecuencia a voltaje o sino utilizar un frecuencímetro digital o un contador. En este módulo se utiliza un contador digital porque tiene la ventaja de proporcionar una indicación muy precisa. De la figura 15 se observa que el componente denominado OC1 contiene un conjunto constituido por un fotodiodo y un fototransistor, que genera una señal de impulsos proporcional a la velocidad de rotación. De ahí la señal

13 lleva a la entrada del contador (IC4 MM74C926) que consta de un contador de cuatro cifras decimales y de un registro en el que pueden almacenarse los contenidos del contador. Las salidas son capaces de controlar un display de siete segmentos. Además cuenta con un temporizador (IC2) que proporciona el intervalo de tiempo durante el cual se realiza el recuento de los impulsos, al final d este tiempo se generan dos señales, una que permite a los datos de las salidas del contador trasladarse al origen de salida, y otra que lleva a cero el contenido de los contadores. Figura 15: Diagrama del acondicionador de señal del transductor digital. Acondicionador de señal del transductor de posición: Como en los transductores de velocidad el transductor de posición requiere también de una etapa para acondicionar la señal del transductor y que esta sea útil para poderse usar. Este circuito amplifica la señal del potenciómetro de tal manera que la tensión sea -8 V cuando el ángulo sea 0º y de +8 V cuando el ángulo sea 360º. Como se observa en la figura 16, el cursor del potenciómetro llega a la entrada no inversora del amplificador operacional siendo esta una tensión proporcional a la posición. Los componentes R3 y C1 constituyen un filtro de paso bajas cuya función es la de eliminar eventuales disturbios debidos al movimiento del cursor. El amplificador está en una configuración no inversora con ganancia igual a

14 G = 1+ ( R + R 2 RV1 ) / regulando el trimer RV1 se puede lograr una tensión de ± 8 V para un ángulo comprendido entre 0º y 360º. 1 Figura 16: Acondicionador de Señal del traductor de Posición. Amplificador de potencia PWM & Power Amplifier : El esquema del amplificador de potencia se muestra en la figura 17. Está constituido por un puente H realizado por 4 MOS-FET de potencia. La configuración del puente permite que el movimiento sea bidireccional. Los diodos D1 a D4 sirven para proteger a los MOS- FET en caso de que se apliquen tensiones peligrosas, cuando conmutan al estado OFF y bloquean la corriente que circula por el motor, por otra parte los diodos Zenner Z1 a Z4 hacen que las tensiones de alimentación de la compuerta no sobrepasen los límites máximos tolerables de los dispositivos utilizados. Los transistores T5 a T10 se utilizan como excitadores de las entradas de los MOS-FET.

15 Figura 17: Amplificador de Potencia. La potencia aplicada al motor se regula con el dispositivo nombrado PWM, que a la salida genera una onda cuadrada cuyo ciclo de trabajo depende de la comparación entre una señal diente de sierra y una tensión variable según sea el valor de la salida. Observe que se genera también una señal PWM con ciclo de servicio variable, así como la tensión complementaria PWM, de este modo la potencia aplicada depende de la relación entre el tiempo en el que conduce una de las ramas y el tiempo en el que conduce la otra. En el módulo se encuentra también un circuito fijador (CLAMP CIRCUIT), el cual tiene la función de proteger a la fuente de alimentación de los picos producidos por las conmutaciones de tensión en el motor, cuando este último funciona como generador haciendo que la energía almacenada se descargue en dicha fuente a través de los diodos. Para que este último circuito tome parte del proceso se tienen que unir los Bornes 26 y 27.

16 Control de Temperatura Módulo G34 Descripción de la Planta: se utiliza un sistema que consta de dos módulos, el módulo G34 y el módulo TY34/EV los cuales se describen en esta sección presentando una breve explicación de cada uno de ellos. Figura 18: Módulo G34. Como se observa en la figura 18, este módulo se compone a su vez de un conjunto de ocho bloques, que representan a otros tantos circuitos electrónicos los cuales realizan cada uno una función muy concreta. Dicha figura muestra también las conexiones que unen a los diferentes bloques, así como los puntos de medición.

17 Set point: Este bloque, denominado Set Point o módulo de entrada de referencia tiene la finalidad de proporcionar la señal de entrada al sistema. Como puede observarse en la figura 19 la etapa está constituida por R1, R2, R3, RV1, C1 y por el circuito regulador Z1, el cual es un TL430 igual al que se usa en el acondicionar de señal del transductor de semiconductor STT (Silicon Temperature Transducer). En la salida de esta etapa compuesta por P1 y RV2 se obtiene la señal de referencia que puede ir de 0 a 8 V. Figura 19: Diagrama del circuito de la entrada de referencia. Amplificador de error: El amplificador de error cuyo diagrama se muestra en la figura 20, se encarga de realizar la comparación entre el valor de entrada, proveniente del Set Point y el valor obtenido a la salida del sistema, realimentación, con el objeto de generar la señal de error. (E). Este bloque se encuentra constituido por un amplificador operacional en configuración diferencial, cuya salida es el resultado de la diferencia de las dos entradas presentes afectada por la razón R4/R1.

18 Figura 20: Diagrama del Amplificador de Error. Controlador PID: Este bloque proporciona un controlador versátil que puede tomar las configuraciones P, I o D por separado, o bien un control combinado de ellos mediante el puenteo de algunos bornes específicos. Este bloque se muestra en la figura 21. Figura 21: Diagrama de bloque del controlador PID. Acondicionador del transductor de semiconductor (STT): Debido a que el transductor utilizado es de tres hilos, se ha adaptado un amplificador diferencial para minimizar el valor resistivo de los alambres del transductor. El equipo está provisto también de un indicador de sobre-temperatura, de este modo cada que se rebase la temperatura de 150 ºC se encenderá un indicador y a se tendrá que apagar la fuente de calor donde se encuentra el transductor. Este acondicionador de señal proporciona un rango

19 de voltajes entre 0 y 8 V que corresponden a rangos de temperatura entre 0 y 150 ºC respectivamente y como la salida del transductor debe ser lineal entonces la constante de proporcionalidad que se obtiene de la relación entre el voltaje y la temperatura es: Figura 22: Diagrama del Acondicionador del Transductor de Semiconductor. cte de proporcionalidad = 53.3 mv/ºc Acondicionador de señal del transductor de termo resistencia (RTD Resistance Temperature Detector): Es el acondicionador de señal de transductor que se basa en una resistencia que es sensible a la temperatura (termo-resistencia). El acondicionador de señal de este transductor logra obtener una rango de tensión entre 0 y 8 V correspondiente a un rango de temperaturas entre 0 y 250 ºC. La figura 23 muestra el circuito eléctrico de este acondicionador de señal.

20 Figura 23: Acondicionamiento de señal del transductor de termo-resistencia. Acondicionador de señal del transductor de termopar: La función de este acondicionador, es la de elevar la tensión de salida y hacer una compensación de la unión fría del termopar. A temperatura ambiente, la fem termoeléctrica que genera el transductor es del orden de milivolts, por ello es necesario tomar precauciones en el acondicionador de señal para impedir que las perturbaciones, como el ruido, puedan llegar a alterar la medición correspondiente. El esquema eléctrico del acondicionador de señal de este transductor se presenta en la figura 24. El amplificador IC1 que recibe la señal enviada por el termopar cuenta con un bajo desplazamiento térmico (drift) y una baja desviación permanente (offset), además, para su mejor funcionamiento se le agrega a este circuito una etapa de filtración realizada por el condensador C1, reduciendo de esta manera problemas de ruido. Por su parte el circuito IC2 realiza la compensación de la unión fría, para esto utiliza un diodo de silicio (D1) como elemento termosensible cuya función se amplifica apropiadamente por IC2. Se utiliza un diodo debido a que su relación voltaje-corriente depende de la temperatura, con una

21 polarización adecuada, las variaciones de las características del diodo coincidirán con las causadas por las variaciones de la temperatura de la unión fría. Las tensiones provenientes de los dos bloques anteriores llegan a la entrada de una etapa constituida por el circuito IC3 en configuración sumador, la cual proporciona una señal de salida lista para utilizarse, esta señal se puede apreciar en el borne 33. Debido a que el rango de temperaturas de 0º a 250ºC corresponde en forma lineal con un rango de voltajes de 0 a 8 V, la constante de proporcionalidad que se obtiene de la relación entre el voltaje y la temperatura es: cte de proporcionalidad = 32 mv/ºc Figura 24: Acondicionador de señal del transductor de termopar. Termómetro digital: El módulo G34 cuenta con un termómetro digital que tiene la finalidad de poder contar con una lectura de la temperatura durante el desarrollo de las prácticas correspondientes. Amplificadores de potencia para el calefactor/enfriador: Esta etapa se encarga de proporcionar una ganancia en corriente a

22 la señal de control que alimenta el calefactor o el enfriador. Consta de dos etapas independientes una que se encarga de amplificar la corriente alterna para la resistencia calefactora y otra para el ventilador de enfriamiento. Para la resistencia calefactora se utiliza un TRIAC como elemento básico al cual se le controla su ángulo de disparo, esto se logra comparando la señal de control de entrada a esta etapa con una señal diente de sierra sincronizada con la frecuencia del sistema, de aquí se genera la señal de disparo que finalmente se envía a la compuerta del TRIAC, de esta manera el ángulo de conducción del TRIAC varía en forma proporcional a la magnitud de la señal de control de entrada. Por lo que respecta al amplificador de corriente para el enfriador se utiliza un comparador cuya función es detectar niveles negativos de la señal de control para activar el enfriador. Toda esta etapa se alimenta a través de la señal de control de entrada en el borne 11 y sus correspondientes salidas se tienen en dos pares de bornes identificados como HEATER y COOLER respectivamente según se observa en la figura 25 de esta etapa.

23 Figura 25: Amplificador de Potencia. En el módulo TY34/EV se encuentran ubicados los transductores así como la resistencia calefactora y el ventilador de enfriamiento como se muestra en la siguiente figura. Figura 26: Módulo TY34/EV.

24 Control de Temperatura Módulo Lab-Volt 3521 Descripción de la Planta: Esta planta está compuesta el módulo de Lab-Volt 3521 el cual se describe a continuación, Ver figura 27. Figura 27: Equipo didáctico para el control de temperatura Lab-Volt Este equipo está compuesto por una serie de bloques funcionales, que en general se pueden separar en lo que es el proceso con sus respectivos transmisores; lo que es el controlador PID; los voltímetros, la sección de alarma y por último las fuentes y los generadores de señales. Proceso de temperatura: En cuanto al proceso este es de tipo térmico en donde se suministra una cantidad de energía controlada al calefactor el cual trasmite la energía térmica a un radiador (el cual se puede ver a través de la reja frontal). Transmisión de Temperatura: La temperatura del radiador es medida con un termopar tipo J el cual se introduce por una abertura que se encuentra en la parte superior del equipo; este termopar se conecta al

25 transmisor de temperatura, el cual procesa la señal y la adecua para que se pueda ver su valor en la pantalla y para que pueda realimentarse al resto del sistema de control a través de la salida, la cual se puede ajustar de manera que se genere una señal de 0 a 5 V cuando la temperatura se encuentra en un valor mínimo y hasta cierto margen de variación; esto se logra con los ajustes cero y rango. Figura 28: Transmisor de temperatura. Comparador de Histéresis: La señal de entrada del proceso y por la cual se ejecuta el control tiene su lugar de inserción en la entrada positiva del comparador de histéresis (la entrada negativa es para el generador de onda triangular), la salida del comparador de histéresis se conecta a la entrada de control del relé de estado sólido, este tendrá como función llevar una alimentación intermitente al calefactor, esto con el fin de manejar la inercia de calor que se pueda transmitir al radiador. Figura 29: Comparador de histéresis. Ventilador y Calefactor: El ventilador tiene tres posiciones de funcionamiento, las cuales permiten que el ventilador tenga tres velocidades (alta, baja y parado). Algo similar sucede con el calefactor, aquí se puede ajustar la potencia que se suministra al mismo en dos posiciones que permiten que el calefactor se encuentre bajo una potencia alta o una potencia baja de operación. Estas condiciones que

26 nos dan la posibilidad de cambios en las condiciones de operación del sistema se usan como perturbaciones. Figura 30: Etapa de ventilador y calefactor. El controlador PID: puede tener varias configuraciones, tiene capacidad de funcionamiento como controlador PID ideal y como PID serie. Para ajustar las constantes del controlador se calibrará cada una de las ganancias (Proporcional, Integral y Derivativa) según corresponda para cada práctica y utilizando el método que se describe en las mismas. Figura 31: Etapa del controlador PID. Los voltímetros CC: sirven para lograr el ajuste y medición de cualquier variable involucrada según corresponda; las fuentes CC1 y CC2 sirven para ajustar valores de referencia del proceso y para generar cambios escalón en la entrada del lazo. Los valores de entrada y salida de la planta y del PID corresponden a valores estándar de voltaje en sistemas de control de Lab-Volt, esto es, el rango de variación va de 0 a 5 V; por lo que se puede usar alguna interfaz para ejercer control de la planta mediante algún elemento de

27 control externo, como puede ser algún programa de simulación o algún controlador discreto; o bien, controlar alguna planta externa mediante el controlador PID del módulo.