Realizado: Grupo SUPPRESS (Supervisión, Control y Automatización) Laboratorio Remoto de Automática (LRA-ULE) Universidad de León http://lra.unileon.es Versión: Páginas: 1.0 12
0. Introducción Para llevar a cabo la práctica es conveniente leer detenidamente todos los apartados e ir realizando todas aquellas tareas que se proponen, algunas de las cuales se realizarán de forma teórica, previas a la conexión con el sistema en modo simulación. Al finalizar las experiencias en modo simulación se deberá enviar un informe al profesor con las experiencias realizadas en el que deben incluirse las tareas teóricas. Para la realización de la práctica en modo simulación se tendrán que desarrollar los apartados descritos en la sección de Tareas en modo Simulación del presente documento. 1. Objetivos de la práctica Los objetivos de esta práctica son los siguientes: Entender el proceso industrial y operar sobre los sensores y actuadores de la maqueta de 4 variables. Adquirir competencias en el uso de funcionalidades asociadas a este tipo de plataformas. Por ello el documento está estructurado de la siguiente manera: primeramente se realiza una descripción del sistema. Posteriormente se incluyen los diferentes experimentos que el alumno debe realizar y de los cuales debe realizar un informe para superar de forma satisfactoria las prácticas. 2. Descripción del Sistema El sistema con el que se va a trabajar es una maqueta industrial multifuncional que permite la realización de experiencias de automatización y control sobre 4 variables: presión, temperatura, caudal y nivel. - 1 -
Fig. 1 Maqueta Industrial de 4 Variables La maqueta industrial está constituida por un circuito principal de proceso y por dos circuitos de utilidades asociados a la variable temperatura: Circuito de proceso: Diseñado para el control de cuatro variables físicas en recirculación con flexibilidad para la interacción o independencia entre ellas. Básicamente está constituido por dos depósitos en cascada de 5 y 6,5 litros de capacidad asociados a los lazos de control de nivel. La recirculación se realiza mediante un circuito de bombeo, desde el depósito inferior al superior, impulsado por una bomba centrífuga con accionamiento a velocidad variable. Una característica importante es que el llenado se realiza por la parte inferior y por lo tanto nunca a presión atmosférica. La maqueta incorpora la instrumentación necesaria para implementar los lazos de control de presión, caudal, nivel y temperatura del fluido de proceso. Circuito calentamiento: Es el encargado de producir y almacenar agua caliente mediante resistencias eléctricas con accionamiento variable estático. La transferencia de calor al proceso se realiza mediante un intercambiador de placas de alto rendimiento que proporciona una gran transferencia térmica y una enorme reducción del espacio ocupado a - 2 -
igual potencia de intercambio frente a los tradicionales intercambiadores tubulares. Mediante una válvula de tres vías neumática, se regula el caudal de agua caliente y por lo tanto la transferencia de calor al proceso. Circuito de enfriamiento de agua: Proporciona la capacidad de reducir la temperatura del proceso utilizando agua de red como fuente. La transferencia de calor al proceso se realiza mediante un intercambiador de placas de similares características al de agua caliente, estando la regulación encomendada a una válvula neumática de dos vías. Estos 3 circuitos están montados sobre un panel de acero inoxidable de 150x170 cm en el que en su parte posterior se sitúa el armario eléctrico. El esquema funcional del proceso está representado en la Figura 2. Fig. 2 Diagrama Funcional del Proceso - 3 -
En función de la instrumentación que lleva incorporada la maqueta, las variables que se pueden manejar son las indicadas en la Tabla 1. Tabla 1 Variables de la Maqueta Industrial Además de estas variables, se incorporan otras que son consecuencia de ellas y que se refieren a las acciones que se toman y sus confirmaciones, siendo necesarias para garantizar el perfecto funcionamiento de los actuadores. Su relación se detalla en la Tabla 2. - 4 -
Tabla 2 Variables Adicionales de la Maqueta Industrial, Acciones y Confirmaciones Para designar y representar los diferentes elementos de que consta la planta, se han adoptado las normas de la Sociedad Americana de Instrumentación (ISA), concretamente la Norma ISA-S5.1-84, que es prácticamente un estándar de facto en las industrias y que además facilita la asignación de códigos y la simbología para los accionamientos, instrumentos de medida y control, y sistemas auxiliares. Con esta norma, se obtiene una etiqueta identificadora denominada TAG, que consta de dos partes: la primera formada por letras, en mayúsculas y hasta un número de 4, que identifica la funcionalidad; la segunda, formada por números que identifican el sistema, circuito o bucle donde se ubica el elemento. Para la representación de las variables de la planta, se ha seguido la codificación indicada en la Tabla 3. Para más información, el alumno puede consultar el Anexo 3, el cual contiene un resumen de la mencionada norma. Tabla 3 Codificación de las Variables según la Norma ISA-S5.1-84 - 5 -
2.1 Descripción del Circuito de Proceso El circuito está diseñado para implementar lazos de control sobre las cuatro variables físicas implicadas (temperatura, caudal, presión y nivel) de forma independiente o conjunta. Accionando la bomba P02 comienza a circular el liquido de proceso en sentido horario, impulsando el líquido hacia el depósito superior D03, produciéndose el llenado del mismo por la parte inferior y por lo tanto a una presión distinta de la presión atmosférica. La válvula eléctrica de proceso permite regular el caudal de líquido que circula por este circuito. La electroválvula entre tanques abre o cierra la comunicación entre el tanque D03 y D04. Los intercambiadores I01 e I02 enlazan el circuito de proceso con el de calentamiento y enfriamiento para aumentar o disminuir la temperatura del líquido de proceso. Fig. 3 Circuito de Proceso - 6 -
Los transmisores y actuadores que constituyen el circuito de proceso son los siguientes: Tabla 4 Transmisores y Actuadores del Circuito de Proceso 2.2 Descripción del Circuito de Calentamiento Este circuito está diseñado para implementar un lazo de control sobre la variable temperatura y regular el aporte de calor al circuito de proceso. Accionando la bomba P01 el líquido comienza a moverse en sentido horario. Una vez que el líquido está circulando, se puede comenzar a calentar actuando sobre el controlador de las resistencias. Por medio de la válvula de tres vías se regula el caudal de agua caliente que entra al intercambiador I01 y por lo tanto el flujo de calor aportado al circuito de proceso. Fig. 4 Circuito de Calentamiento - 7 -
Los transmisores y actuadores que constituyen el circuito de calentamiento son los siguientes: Tabla 5 Transmisores y Actuadores del Circuito de Calentamiento 2.3 Descripción del Circuito de Enfriamiento Este circuito permite regular, mediante una válvula neumática de 2 vías el caudal de agua fría que entra al intercambiador I02 y por lo tanto el flujo de frío aportado al proceso. Fig. 5 Circuito de Enfriamiento Los transmisores y actuadores que constituyen el circuito de enfriamiento son los siguientes: Tabla 6 Transmisores y Actuadores del Circuito de Enfriamiento - 8 -
3. Tareas Teóricas (previas a la experimentación) En este apartado se exponen una serie de tareas, previas a la realización de las experiencias prácticas, con el objetivo fundamental de entender el funcionamiento de la maqueta industrial de 4 variables (nivel, temperatura, caudal y presión) antes de acometer experiencias de control sobre ella. Para llevar a cabo este estudio se deben realizar las siguientes tareas: Entender el diagrama funcional del proceso de la Figura 2, reconociendo todos los sensores y actuadores que aparecen en el esquema con los transmisores y actuadores industriales reales de la maqueta industrial (Figura 1). Conviene leer detenidamente el Anexo 3 de los guiones de prácticas, donde se resume la norma ISA S5.1-84 que se ha utilizado en el diseño del diagrama funcional. Leer el manual de manejo de la Interfaz disponible en la pestaña Overview Pinchar sobre el enlace de la pestaña Overview para comenzar a actuar sobre el sistema en Modo Simulación. 4. Tareas en Modo Simulación En este apartado se describen cada uno de los experimentos de laboratorio que el alumno debe realizar en modo simulación, de manera que de cada uno de ellos deberá incluir la experiencia llevada a cabo en los informes que se envíen al profesor al finalizar las distintas partes de la práctica. Con este primer experimento se pretende que el alumno se familiarice con la aplicación. El objetivo de este apartado es entender el funcionamiento de la maqueta industrial. Para ello se proponen una serie de experiencias de manejo de los actuadores y transmisores de la maqueta. - 9 -
4.1 Lazo de control de nivel La experiencia consistirá en observar cómo se comporta el nivel del tanque superior cambiando los valores de entrada del convertidor de la bomba P02. En este primer apartado el esquema de trabajo es: Fig. 6 Diagrama de bloques de Control de Nivel en cadena abierta Los pasos a realizar son los siguientes: 1. Pulsar el botón Ejecutar para iniciar la simulación. 2. Seleccionar el Control Manual en la pestaña CONTROL. 3. Comprobar que la electroválvula entre tanques está abierta. En caso contrario abrirla con el objetivo garantizar la conexión entre los dos tanques del circuito de proceso. Manipular el caudal suministrado por la bomba dando valores de consigna de 20%, 50% y 90%. Observar que para valores bajos del convertidor frecuencia, el caudal suministrado por la bomba hace que el nivel en el tanque se mantenga en valores mínimos. Para valores intermedios el nivel del tanque alcanza una altura constante y para valores altos el caudal suministrado hace que el tanque rebose. Anotar los valores del nivel alcanzado, los tiempos de estabilización o los tiempos de rebosamiento según sea el caso. 4. Cerrar la electroválvula entre tanques. Manipular el caudal suministrado por la bomba dando consignas del 20%, 50%, 90% al convertidor de frecuencia, utilizando para ello la barra de deslizamiento. Anotar los tiempos de rebosamiento para cada uno de los casos. - 10 -
4.2 Lazo de control de Temperatura La experiencia consistirá en observar cómo se comporta la variable temperatura de proceso en la maqueta industrial. Para manipular esta variable intervienen los circuitos de calentamiento y enfriamiento. Para aumentar la temperatura del circuito de proceso es necesario un aporte de calor desde una fuente con temperatura superior (circuito de calentamiento). Para disminuir la temperatura de proceso se necesita un aporte de frío a través del intercambiador desde la fuente de frío (circuito de enfriamiento). En el lazo de control de temperatura se utilizará la válvula de tres vías del circuito de calentamiento como actuador. La válvula de dos vías del circuito de frío se utilizará para introducir perturbaciones en la temperatura de proceso. En este apartado el esquema de trabajo es: Fig. 7 Diagrama de bloques de Control de Temperatura en cadena abierta Para analizar el comportamiento del sistema en cadena abierta se realizarán los pasos siguientes: 1. Pulsar los botones de Reset y Ejecutar para iniciar una nueva simulación. 2. Seleccionar el Control Manual en la pestaña CONTROL. 3. Comprobar que la válvula de tres vías está cerrada para que no se produzca intercambio de calor entre el circuito de calentamiento y el circuito de proceso. Comprobar que la válvula de dos vías del circuito de enfriamiento está cerrada para que no se produzca intercambio de frío entre el circuito de enfriamiento y el circuito de proceso. 4. Inicializar el circuito de calentamiento. Activar las resistencias al 100%. Al realizar esta acción arranca de forma automática y transparente para el usuario la bomba de recirculación del circuito de calentamiento y las resistencias suministran la máxima potencia. Calcular el tiempo que - 11 -
tarda la temperatura del circuito de calentamiento en alcanzar los 40ºC. También se debe de activar el convertidor de la bomba P02 al 60% por ejemplo, para que circule el líquido de proceso por el intercambiador I01. 5. En el lazo de control de temperatura el actuador es la válvula de tres vías cuya apertura suministra caudal de agua caliente desde la fuente de calor al circuito de proceso a través del intercambiador. Manipular el caudal suministrado por la válvula dando una consigna de valor 50%. Observar como aumenta la temperatura de proceso. Calcular el tiempo que tarda el líquido de proceso en alcanzar los 30º. 6. Cerrar la válvula de tres vías. Abrir la válvula de dos vías del circuito de enfriamiento al 100%. Observar como disminuye la temperatura del líquido de proceso. Calcular el tiempo que tarda el líquido de proceso en alcanzar los 20ºC. En ese instante cerrar la válvula de dos vías del circuito de enfriamiento. 7. Repetir los apartados 6 y 7 con una apertura de la válvula de tres vías del 100%. - 12 -