UNIVERSIDAD DE TALCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL INDUSTRIAL AUTOMATIZACIÓN DE PLANTA EXPERIMENTAL FLEXIBLE, DE PROPÓSITOS MÚLTIPLES, PARA ESTRATEGIAS DE CONTROL MONOVARIABLE Y MULTIVARIABLE MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL PROF. GUÍA: DR. MARIO FERNÁNDEZ RODRIGO ANDRÉS RODRÍGUEZ TAPIA CURICÓ CHILE 2006
Resumen Ejecutivo Esta memoria tiene por objetivo llevar a cabo la automatización de una Planta de Laboratorio, perteneciente a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Talca, con la finalidad de realizar experiencias prácticas de control de procesos. Tal automatización fue realizada mediante la utilización de un PLC Siemens S7-300, en conjunto con una interfaz gráfica en INFILINK. En primer lugar se define y formaliza el problema, de manera tal de entender en qué condiciones se encontraba la planta, junto con advertir los beneficios que provoca su automatización. Además, se establecen los objetivos y la metodología utilizada para llevar a cabo estos mismos. En segundo lugar, se expone una síntesis de las partes que componen un sistema de control, como son la terminología, los tipos de lazos, algunos modos de control y el tipo de controlador utilizado. Luego, se hace una descripción general de la Planta, para después describir detalladamente cómo funcionan y se conectan todos los dispositivos involucrados en el sistema, incluidos sensores, actuadores, y controlador, entre otros. Seguidamente a esto, se detalla cómo se debe configurar y programar el Controlador, así como también los pasos a seguir para su puesta en funcionamiento. Por último, se detalla cómo ha sido la configuración y el diseño de una aplicación HMI para tener una representación gráfica y amena para el usuario de los procesos controlados, junto con señalar los resultados obtenidos a partir de los algoritmos programados.
Dedicado a mis hijas, Isidora y Francisca.
Agradecimientos Doy muchas gracias a mis Padres, José Luis y Elizabeth, por haberme dado la gran oportunidad de estudiar en una buena y gran Universidad, lejos de casa, una carrera que me fascina y que me llena de orgullo completar. Gracias por su esfuerzo, su ejemplo y sus consejos. Especiales gracias le doy a Paulina, mi compañera, quien con su inconmensurable apoyo y comprensión, me ayudó a sortear estos últimos años de universidad. Gracias a mi tutor, Dr. Mario, por compartir sus conocimientos conmigo y darme todas las facilidades para llevar a cabo esta memoria. Gracias también a Elizabeth y Cristian por su colaboración en el desarrollo práctico de esta memoria. Por último, gracias a todas esas personas con las que compartí, tanto en el estudio como en lo social, que me hicieron aprender y comprender otras tantas cosas más de las que me enseñaron profesores y libros.
Índice Índice RESUMEN EJECUTIVO... 2 ÍNDICE... 5 ÍNDICE DE FIGURAS... 7 ÍNDICE DE TABLAS... 9 CAPÍTULO 1 DEFINICIÓN Y FORMALIZACIÓN DEL PROBLEMA... 10 1.1 INTRODUCCIÓN...10 1.2 LUGAR DE APLICACIÓN... 11 1.3 LA PROBLEMÁTICA... 11 1.4 ÁREAS DE INVESTIGACIÓN... 12 1.5 ÁREA DE ESTUDIO... 12 1.6 OBJETIVOS... 13 1.6.1 Objetivo General... 13 1.6.2 Objetivos Específicos... 13 1.7 RESULTADOS TANGIBLES ESPERADOS... 14 1.8 METODOLOGÍA...15 CAPÍTULO 2 SISTEMAS DE CONTROL...16 2.1 ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN UN SISTEMA DE CONTROL... 16 2.2 TIPOS DE LAZOS DE CONTROL... 19 2.2.1 Control en lazo abierto ( open loop )... 20 2.2.2 Control en lazo cerrado ( feedback )... 20 2.2.3 Control hacia adelante ( feedforward ).... 21 2.2.4 Control feedback feedforward.... 21 2.2.5 Control compuesto ( cascada feedback feedforward )... 22 2.3 MODOS DE CONTROL... 22 2.3.1 Control ON/OFF... 22 2.3.2 Control PID... 23 2.4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)... 24 2.5 SISTEMAS DE CONTROL CENTRALIZADO (SCADA)... 25 CAPÍTULO 3 PLANTA DE LABORATORIO PARA EL CONTROL DE PROCESOS... 27 3.1 INTRODUCCIÓN...27 3.2 DESCRIPCIÓN GENERAL... 28 3.3 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA... 31 CAPÍTULO 4 DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES... 33 4.1 DESCRIPCIÓN DE LOS SENSORES... 33 4.1.1 Sensores de Temperatura (TT)... 33 4.1.2 Transmisor de Presión (PT)...35 4.1.3 Sensores de Caudal (FT)... 36 4.1.4 Sensores de Nivel (LT)... 37 4.1.5 Interruptores... 39 4.1.5.a Interruptores de Nivel (LS)...39 4.1.5.b Interruptores de Posición (ZS)...40 4.1.6 Indicadores (PI, LI, TI)... 42 4.2 DESCRIPCIÓN DE LOS ACTUADORES... 43 Rodrigo Rodríguez Tapia Página 5
Índice 4.2.1 Válvulas... 43 4.2.1.a Válvula Neumática...43 4.2.1.b Válvulas Manuales...44 4.2.1.c Válvula Motorizada...45 4.2.2 Calefactores... 47 4.2.3 Convertidor I/P... 49 4.2.4 Tarjetas de circuito impresas (PCB)... 49 4.3 DESCRIPCIÓN DEL CONTROLADOR... 51 4.3.1 Direccionamiento... 54 4.3.1.a Direcciones iniciales...54 4.3.1.b Direcciones de los módulos digitales...55 4.3.1.c Direcciones de los módulos analógicos...56 4.4 CONEXIONES... 57 4.4.1 Conexiones de las señales digitales... 57 4.4.2 Conexiones de las señales analógicas... 58 CAPÍTULO 5 CONFIGURACIÓN, PROGRAMACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DEL PLC... 60 5.1 CONFIGURACIÓN DEL PC/PG... 60 5.2 CONFIGURACIÓN DE HARDWARE... 62 5.3 PROGRAMACIÓN DEL PLC... 69 5.3.1 Definición de Símbolos... 69 5.3.2 Creación de Bloques de Datos... 73 5.3.3 Creación de Bloques lógicos...74 5.4 PUESTA EN MARCHA... 76 CAPÍTULO 6 CONFIGURACIÓN Y DISEÑO DE APLICACIÓN HMI... 81 6.1 CONFIGURACIÓN DEL SEVIDOR OPC KEPSERVEREX... 82 6.2 CONFIGURACIÓN DE INFILINK HMI... 86 CAPÍTULO 7 RESULTADOS... 91 7.1 CONTROL DE NIVEL EN EL ESTANQUE Nº 1... 95 7.2 CONTROL DE TEMPERATURA EN EL ESTANQUE Nº 2... 98 7.3 CONTROL DE TEMPERATURA EN EL ESTANQUE Nº 3... 101 7.4 CONTROL MANUAL... 103 7.5 CONTROL DE DUTY CYCLE PARA LOS CALEFACTORES... 105 CAPÍTULO 8 CONCLUSIONES Y PROPUESTAS FUTURAS... 111 8.1 ACERCA DEL TRABAJO... 111 8.2 ACERCA DEL SISTEMA AUTOMATIZADO... 114 8.3 PROPUESTAS FUTURAS... 115 BIBLIOGRAFÍA... 116 ANEXOS... 118 ANEXO A DATOS TÉCNICOS DEL PLC... 119 Anexo A-1 Estructura de un S7-300... 119 Anexo A-2 Datos técnicos de la CPU 314... 120 Anexo A-3 Datos técnicos de la fuente de alimentación... 123 Anexo A-4 Datos técnicos de los módulos de entradas digitales... 125 Anexo A-5 Datos técnicos de los módulos de salidas digitales... 127 Anexo A-6 Representación de valores analógicos... 129 Anexo A-7 Datos técnicos de los módulos de entradas analógicas... 132 Anexo A-8 Datos técnicos de los módulos de salidas analógicas... 136 ANEXO B TARJETAS DE CIRCUITO IMPRESAS... 139 ANEXO C PROGRAMA DEL PLC... 143 Rodrigo Rodríguez Tapia Página 6
Índice de Figuras Índice de Figuras Figura 2-1 Diagrama de Sistema de Control. Se destaca dónde se ubican las variables de entrada o salida del sistema, así como también sus componentes principales.... 17 Figura 2-2 Elementos y variables de un sistema de control. [9]... 17 Figura 2-3 Diagrama de Control en Lazo Cerrado ( Feedback ). [9]... 20 Figura 2-4 Lazo de control hacia adelante ( Feedforward ). [9]... 21 Figura 2-5 Diagrama Control Compuesto (Feedback Feedforward). [9]... 21 Figura 2-6 Diagrama de Control Compuesto (Cascada Feedback - Feedforward). [9]... 22 Figura 2-7 Respuesta típica al escalón unitario de un sistema de control. [9]... 23 Figura 2-8 Respuestas al escalón con los controles PD, PI y PID. [9]... 24 Figura 2-9 (a) Antiguos tableros de control. (b) Sistemas virtuales de actualidad... 26 Figura 3-1 Planta de Laboratorio.... 29 Figura 3-2 Esquema de Planta de Laboratorio (P&ID) con simbología de instrumentación, según norma ISA S5.1... 32 Figura 4-1 Esquema de conexión de las Pt-100 a los módulos de entrada del PLC... 34 Figura 4-2 Esquema de conexión de sensor de presión a módulo de entrada analógico y fuente de 12 Vdc.... 36 Figura 4-3 Esquema de conexión y adaptación de sensor de flujo tipo turbina... 37 Figura 4-4 Sensor basado en Puente de Wheatstone con strain gages, utilizado para determinar nivel... 38 Figura 4-5 Esquema de conexión de la Sonda Ultrasónica al módulo de entrada analógica del PLC y a la fuente de 24 Vdc.... 39 Figura 4-6 Modo de operación del Interruptor de Nivel. a) Estado abierto. b) Estado cerrado.... 39 Figura 4-7 Esquema de conexión de Interruptores de Nivel a módulo de entrada digital del PLC y fuente de 24 Vdc.... 40 Figura 4-8 Sistema de para fin de carrera con interruptores ópticos de ranura.... 41 Figura 4-9 Conexión de Interruptores a tarjeta de circuito impresa.... 42 Figura 4-10 Esquema de conexión del sistema para Válvula Neumática.... 43 Figura 4-11 Estados de operación de las válvulas manuales de 3 vías... 44 Figura 4-12 Válvula motorizada... 45 Figura 4-13 Esquema de conexión para motores paso a paso de las válvulas motorizadas... 47 Figura 4-14 Esquema de conexión para calefactores y bomba de recirculación... 48 Figura 4-15 Diagrama tarjeta de circuito impresa Nº 1 para el acondicionamiento de señales. [Anexo B]... 50 Figura 4-16 Diagrama de tarjeta de circuito impresa Nº 2. [Anexo B]... 51 Figura 4-17 Disposición de módulos para un PLC Siemens S7-300. [3]... 52 Figura 4-18 Posiciones de las borneras de conexión... 53 Figura 4-19 Ejemplo de dirección para una señal de entrada y salida digital. [3]... 55 Figura 4-20 Asignación de direcciones de las entradas y salidas de módulos digitales.[3]... 55 Figura 4-21 Ejemplo para dirección de una señal de entrada y salida analógicas.[3]... 56 Figura 4-22 Direcciones de las entradas y salidas de un módulo analógico colocado en el slot 6.[3]... 56 Figura 5-1 Ventana de configuración de estación de trabajo Simatic.... 61 Figura 5-2 Ventana para ajustar la interfaz PG/PC.... 61 Figura 5-3 Ventana Asistente de Step7 al iniciar Administrador Simatic... 62 Rodrigo Rodríguez Tapia Página 7
Índice de Figuras Figura 5-4 Ventana de Proyecto en Step7.... 63 Figura 5-5 Ventana de Configuración de Hardware... 64 Figura 5-6 Ventana de Propiedades de la CPU.... 65 Figura 5-7 Ventana de Propiedades de la Interfaz MPI... 65 Figura 5-8 Ventana de Propiedades de la Red MPI... 66 Figura 5-9 Ventana de propiedades de Módulos de Entrada Analógicas.... 67 Figura 5-10 Ejemplo de opciones de (a) Tipo de señal, (b) Margen y (c) Frecuencia perturbadora para cada grupo de canal de un módulo de entrada analógica.... 68 Figura 5-11 Adaptador de margen para los módulos de entrada analógica.[4]... 68 Figura 5-12 Ventana del Editor de Símbolos.... 70 Figura 5-13 Direccionamiento de Marcas.... 73 Figura 5-14 Ventana de Bloque de Datos DB1 para señales digitales.... 74 Figura 5-15 Ventana de un bloque lógico.... 75 Figura 5-16 Secuencia y profundidad de anidamiento de las llamadas de bloques dentro de un ciclo de ejecución.[5]... 76 Figura 5-17 Diagrama de Automáticos... 77 Figura 5-18 Ventana de Tabla de Variables para probar programa.... 79 Figura 5-19 Visualización on-line de las secuencias de programación... 79 Figura 6-1 Ventana del Servidor de OPC, KEPServerEx V4.0.... 82 Figura 6-2 Ventana de las propiedades de los Tags... 84 Figura 6-3 Ventana del Servidor con todos los Tags agregados... 85 Figura 6-4 Ventana de Cliente de OPC...85 Figura 6-5 Ventana de Modo de Diseño de Infilink... 86 Figura 6-6 Ventana para crear grupos de Tag OPC y de memoria.... 87 Figura 6-7 Ventana de Propiedades para los grupos de Tag OPC... 88 Figura 6-8 Ventana de propiedades de Tags OPC... 88 Figura 6-9 Ventana de Navegador de Tags... 89 Figura 6-10 Ventana del Administrador de Bibliotecas.... 90 Figura 7-1 Ventana del escritorio del PC utilizado para interactuar con la Planta de Laboratorio... 93 Figura 7-2 Ventana para abrir proyecto Planta... 93 Figura 7-3 Ventana de modo ejecución para el proyecto Planta.... 94 Figura 7-4 Ventana para visualizar el control de nivel en el estanque Nº 1.... 95 Figura 7-5 Lazo para el control de nivel en el estanque Nº 1.... 96 Figura 7-6 Gráfica de nivel controlado en estanque Nº 1... 97 Figura 7-7 Ventana para observar el control de temperatura en el estanque Nº 2... 98 Figura 7-8 Lazo para control de temperatura en estanque Nº 2.... 99 Figura 7-9 Gráfico para temperatura controlada en estanque Nº 2.... 101 Figura 7-10 Ventana para control de temperatura en el estanque Nº 3... 102 Figura 7-11 Lazo para control de temperatura en estanque Nº 3.... 102 Figura 7-12 Ventana de Control Manual de los actuadores de la Planta... 104 Figura 7-13 Ventana para operar calefactores con un Duty Cycle... 106 Figura 7-14 Gráfica de la temperatura dado un Duty Cycle para los calefactores... 108 Figura 7-15 Ventana de grupo de Tags.... 109 Figura 7-16 Ventana de propiedades de los Tag OPC... 110 Figura 8-2 Superficie superior Tarjeta de Circuito Impresa Nº 1... 140 Figura 8-3 Superficie inferior Tarjeta de Circuito Impresa Nº 1.... 140 Figura 8-5 Superficie superior Tarjeta de Circuito Impresa Nº 2... 142 Figura 8-6 Superficie inferior Tarjeta de Circuito Impresa Nº 2... 142 Rodrigo Rodríguez Tapia Página 8
Índice de Tablas Índice de Tablas Tabla 1-1 Descripción de Actividades con su respectiva herramienta de trabajo.... 15 Tabla 3-1 Nomenclatura de instrumentación... 31 Tabla 4-1 Especificación de conexión de las Pt-100 a borneras de conexión... 35 Tabla 4-2 Asignación de Nº de Slot para los módulos del PLC... 52 Tabla 4-3 Direcciones iniciales de los módulos de señales. [4]... 54 Tabla 4-4 Direcciones iniciales para los módulos del PLC de la Planta... 54 Tabla 4-5 Especificación de conexiones al módulo de entrada digital... 57 Tabla 4-6 Especificación de conexiones al módulo de Salida digital... 58 Tabla 4-7 Especificación de conexiones al módulo de Entrada Analógica... 58 Tabla 4-8 Especificación de conexiones al módulo de Entrada Analógica... 59 Tabla 5-1 Posición de Adaptadores para Márgenes de Medición. [4]... 69 Tabla 5-2 Ejemplo de dirección simbólica y absoluta... 70 Tabla 5-3 Definición de símbolos para las direcciones de señales de entrada digital... 71 Tabla 5-4 Definición de símbolos para las direcciones de señales de salida digital.... 71 Tabla 5-5 Definición de símbolos para las direcciones de señales de entrada y salidas analógicas... 72 Tabla 5-6 Definición de símbolos para las direcciones de bloques de datos, marcas y funciones.. 72 Tabla 6-1 Propiedades del Canal del Servidor OPC. (*) Valores que se modifican... 83 Tabla 6-2 Propiedades del Dispositivo del Servidor OPC. (*) Valores que se modifican.... 83 Rodrigo Rodríguez Tapia Página 9
Capítulo 1: Definición y Formalización del Problema CAPÍTULO 1 DEFINICIÓN Y FORMALIZACIÓN DEL PROBLEMA 1.1 Introducción El Control Automático es fundamental en los procesos de la industria moderna. Pero no sólo aquí, sino en las diversas áreas del quehacer humano, hasta en áreas tan específicas como los sistemas de transporte espacial y el diseño de automóviles, entre otras [1]. Su empleo es esencial en las operaciones industriales, para lograr que las variables de dichos procesos se ajusten automáticamente a una condición deseada en base a la información disponible. Entre las variables que más destacan en los procesos industriales, pueden citarse: presión, temperatura, flujo, nivel, etc. [2] La Automatización ha favorecido el aumento de la productividad en las empresas manufactureras, ha ayudado no sólo a mejorar el desempeño de la dinámica de sistemas, Rodrigo Rodríguez Tapia Página 10
Capítulo 1: Definición y Formalización del Problema sino también a mejorar la calidad de vida de las personas que operan con dichos sistemas. Asimismo, contribuye a la obtención de productos más uniformes, independientemente de los operarios de turno. Éstas y otras razones más hacen que los conocimientos teóricos y prácticos en esta área sean de vital importancia para un Ingeniero de Producción (Industrial, Químico, Eléctrico, Mecánico, etc.) [2]. 1.2 Lugar de Aplicación El desarrollo de esta memoria se llevó a cabo en dependencias de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Talca. Específicamente, se trabajó con una planta piloto de procesos industriales con fines académicos, perteneciente al Laboratorio de Automatización. 1.3 La Problemática Actualmente existe una planta de laboratorio para aplicación de técnicas y lazos de control automático, que incluye las variables que aparecen con más frecuencia en los procesos industriales (presión, caudal, nivel y temperatura). El montaje de esta planta se desarrolló en primera instancia por alumnos memoristas de Ing. Ejec. Mecánica con apoyo de personal de la Universidad, en cuanto a su infraestructura, pero no se la automatizó. Su diseño fue pensado para poder hacer ensayos y demostraciones de cómo pueden llevarse a cabo los tipos de lazos de control automático más comunes que se utilizan actualmente en la industria. Asimismo, permite configurar diversas estrategias de control, con el objeto de poder diferenciar ventajas comparativas entre las mismas. Todo ello facilita la comprensión de conceptos relacionados con el control automático, en forma práctica, contribuyendo a favorecer el proceso de enseñanza-aprendizaje en las áreas de competencia de la Automatización. Existen trabajos anteriores sobre esta planta, ya que fue objeto de tres temas de memoria y un trabajo de práctica profesional. Sin embargo, éstos se refieren a su diseño, construcción y montaje, así como a la implantación de la instrumentación básica para medir y manejar Rodrigo Rodríguez Tapia Página 11
Capítulo 1: Definición y Formalización del Problema los dispositivos de actuación de la misma. Los planteamientos de automatización que se hicieron en dichas instancias fueron superficiales, ya que estaban orientados a probar la funcionalidad de la planta. Resulta interesante estudiar algunas estrategias de control, tanto monovariables como multivariables, o el desarrollo de sistemas SCADA en torno a la misma. Para esto, recientemente se le incorporó a la planta un PLC (Controlador Lógico Programable) Siemens de la serie 300, que es necesario configurar y programar, para la adquisición de datos del proceso, previamente a la formulación de cualquier estrategia. Obviamente, la solución de esta problemática, es de suma importancia tanto para los académicos del área como de los alumnos de la Facultad que cursen la asignatura Automatización. Estos últimos se beneficiarán por la importancia de disponer de un sistema real con el que puedan evaluar y adquirir conocimientos prácticos relacionados con la aplicación de lazos de control que aparecen con frecuencia en la industria. 1.4 Áreas de Investigación El estudio de la memoria abarca, por un lado, el área de la Automatización, debido al análisis del control automático aplicado a las variables de proceso y determinación de las operaciones que lleve a cabo el controlador. Por otro lado, el área de la Gestión de Operaciones, y más específicamente de la Gestión Tecnológica, ya que es necesario analizar estrategias de control automático. Finalmente, comprende también el área de la Pedagogía, al considerar la elaboración de experiencias de laboratorio que sean útiles para el mejor entendimiento de las técnicas de control automático. 1.5 Área de Estudio La planta de control de procesos del Laboratorio de Automatización de la Universidad de Talca ha sido pensada para diferentes ámbitos: poner en práctica las habilidades y Rodrigo Rodríguez Tapia Página 12
Capítulo 1: Definición y Formalización del Problema conocimientos de los alumnos de las asignaturas relacionadas con Instrumentación y Automatización de la Facultad, y ser utilizada para capacitar al personal técnico de las industrias del sector, vinculados con la automatización de procesos. Por lo tanto, el producto a desarrollar no sólo considera el estudio y aplicación de conocimientos relacionados con el control automático, sino también ayudar al paradigma que se enfrentan sus usuarios: por un lado, los alumnos de las asignaturas de automatización, que pueden sumar al conocimiento teórico que se imparte en clases un conocimiento práctico del área, y por otro, el personal que proviene del sector industrial, cuyo conocimiento es más práctico que teórico. Las experiencias que se proyecten sobre la planta deben ser capaces de aglutinar soluciones para problemáticas de ambos estamentos. 1.6 Objetivos 1.6.1 Objetivo General Establecer la metodología y la puesta a punto para interactuar con una planta de procesos y definir estrategias de automatización de acuerdo a pautas de control similares a las que se aplican en procesos reales. 1.6.2 Objetivos Específicos Para lograr los objetivos generales de este proyecto, se propone: Estudiar y entender cómo debe ser el manejo y la adquisición de variables del proceso para generar registros o bases de datos de las mediciones que provienen de los sensores involucrados. Asimismo, cómo influyen los actuadores sobre el proceso y cómo comandarlos para lograr los objetivos de control. Rodrigo Rodríguez Tapia Página 13
Capítulo 1: Definición y Formalización del Problema Estudiar el funcionamiento del PLC Siemens S7-300, y sus módulos de entrada/salida (E/S), con el fin de entender y satisfacer sus requerimientos. Además, estudiar su forma de programación, con el objeto de sacarle el máximo provecho y realizar un mejor manejo de las estrategias de control. Establecer propuestas de control automático que ejemplifiquen procesos reales de la industria y que puedan ser plasmadas en la planta piloto. Programar el PLC y sistemas SCADA asociados con el sistema, de acuerdo a los sistemas asociados para un posterior desarrollo de experiencias de laboratorio que permitan aprovechar el potencial de la planta, con relación al ámbito donde van a ser aplicadas. 1.7 Resultados Tangibles Esperados Al inicio de esta Memoria se propusieron los siguientes resultados: Disponer de una planta piloto completamente automatizada y flexible como para aplicarla a situaciones similares a las que puedan presentarse en la realidad. Elaborar diferentes estrategias o propuestas de control automático que permitan establecer diversas formas de solución para un mismo problema, y que representen situaciones o procesos con inconvenientes similares a los que se presentan en la industria, con el objeto de evaluar alternativas de operación y analizar ventajas y desventajas comparativas de cada alternativa planteada. Estos resultados se lograron a cabalidad, tal como se describe en los capítulos de este trabajo. Rodrigo Rodríguez Tapia Página 14
Capítulo 1: Definición y Formalización del Problema 1.8 Metodología En base a los objetivos específicos planteados se establecieron las actividades necesarias para llevarlas a cabo. En la Tabla 1-1 se las describe, junto con la herramienta utilizada en cada una. Tabla 1-1 Descripción de Actividades con su respectiva herramienta de trabajo. Etapa Actividad Herramienta I Investigar el estado del Arte de la Industria de Laboratorios de Control Automático Educativos. Internet. Comunicaciones personales. Encuestas. II Conocer y describir la Planta de Laboratorio. Conocimiento global de la Planta de Laboratorio. Descripción de sensores y actuadores. Estudiar cómo se opera y se configura el PLC. Inspección de la planta. Revisión de memorias anteriores. Revisión de manuales y catálogos. Notas técnicas. III Estudiar el manejo y adquisición de datos. Manejo de entradas. Manejo de salidas. Manejo de conectividad. Revisión de manuales y catálogos. Experimentación in situ. IV Configurar lazos de control automático básico. Configurar lazos de control individuales. Configurar lazos de control ON/OFF. Configurar lazos de control PID. Configurar lazos de control Supervisor. Revisión de bibliografía. Manuales de Programación de PLC. V Configurar lazos de control multivariable. Revisión de bibliografía. Programación de PLC. VI Configuración de SCADA a través de software industrial INFILINK. Manuales de Programación del Infilink. VII Conclusiones y resultados. VIII Escritura de la Memoria. Rodrigo Rodríguez Tapia Página 15
Capítulo 2: Sistemas de Control. CAPÍTULO 2 SISTEMAS DE CONTROL Los sistemas de control están en todas partes, alrededor de nosotros y con nosotros. Muchos sistemas de control complejos forman parte de las funciones del cuerpo humano. Por ejemplo, en el ojo humano existe un sistema de control para definir el diámetro de la pupila, ajustándolo automáticamente para controlar la cantidad de luz que llega hasta la retina. [1] 2.1 Elementos que intervienen en un Sistema de Control Un Sistema de Control es un grupo de componentes que mantienen un resultado deseado, sobre las variables de salidas del sistema asociado, mediante la manipulación del valor de otras variables del sistema, considerándose éstas como entradas al mismo (ver Figura 2-1). Estos sistemas de control pueden ser eléctricos, electrónicos, mecánicos, hidráulicos, neumáticos, humanos, o alguna combinación de éstos. [2] Rodrigo Rodríguez Tapia Página 16
Capítulo 2: Sistemas de Control. Entradas Salidas ACTUADORES SISTEMA SENSORES Sistema Controlado Figura 2-1 Diagrama de Sistema de Control. Se destaca dónde se ubican las variables de entrada o salida del sistema, así como también sus componentes principales. El resultado deseado es que el valor de alguna/s variables en el sistema se ajusten a una señal de referencia, independientemente de las condiciones a las que esté sometido dicho sistema; por ejemplo, la temperatura de una pieza, el nivel de líquido de un estanque, o la presión en un tubo. La variable cuyo valor se controla se llama variable controlada (ver Figura 2-2). [1] Perturbaciones Perturbaciones Perturbaciones Acciones de Control Variables Manipuladas Variables Controladas Variables Medidas ACTUADORES SISTEMA SENSORES Sistema Controlado Variables Observadas Figura 2-2 Elementos y variables de un sistema de control. [9] La variable controlada es la variable de salida del proceso que puede ser controlada. En un sistema de control de procesos, la variable controlada podría ser una buena medida de la calidad del producto. Las variables controladas más comunes son posición, velocidad, Rodrigo Rodríguez Tapia Página 17
Capítulo 2: Sistemas de Control. temperatura, presión, nivel, caudal. En algunos casos existen variables de salida que no necesitan o no pueden ser controladas, y se las utiliza como variables observadas. [1] Para llevar a cabo el control, deben haber variables del sistema que puedan influir sobre las variables controladas. La mayoría de los sistemas tienen varias de tales variables influyentes. El sistema de control mantiene el resultado deseado mediante la manipulación del valor de una o más de estas variables influyentes. A estas variables influyentes, que son entradas al proceso, se le llama variables manipuladas y pueden ser por ejemplo el caudal de líquido que entra a un estanque, la cantidad de corriente aplicada a un calentador, o la cantidad de luz que entra a una pieza. [1] En la Figura 2-2 se puede ver que, como parte del sistema de control, están los actuadores. El actuador es un dispositivo empleado para ejercer acciones sobre la planta, de acuerdo con un objetivo preestablecido. Es decir, es el elemento de control final que ejecuta una determinada acción de control, que puede modificar o mantener el valor de una variable manipulada. El actuador por excelencia es la válvula, aunque existen muchos más, como bombas, dampers (apagadores), fans (ventiladores), etc. [1] Otros elementos que se aprecian en la Figura 2-2 son los sensores, y representan los instrumentos utilizados para conocer el estado de una variable de la planta. A los sensores también se les llama transmisores de medición. En casos específicos, la palabra medición es remplazada por el nombre de la señal medida y puede acoplársele indistintamente la palabra sensor o transmisor (por ejemplo: transmisor de temperatura, sensor de flujo, transmisor de presión, sensor de nivel, etc.). Los transmisores sensan el valor de una variable controlada y la convierten en una señal usable. Por ejemplo, una termocupla, que es un sensor de temperatura, convierte la temperatura en una señal de voltaje (en milivolt) y el trasmisor asociado a la termocupla convierte la señal de milivolt en una señal de corriente en el rango 4 a 20 ma. [1][2] Las perturbaciones son variables de entrada del proceso que afectan la variable controlada, pero no son controladas por el sistema de control. Las perturbaciones son capaces de Rodrigo Rodríguez Tapia Página 18
Capítulo 2: Sistemas de Control. cambiar la carga sobre el proceso, variando las condiciones de operación, y son la principal razón para usar sistemas de control a lazo cerrado. [1] La variable medida es el valor, medido por el sensor, de la variable controlada. Es el valor medido de la salida y usualmente difiere del valor actual de la variable controlada por una pequeña cantidad, originada por el error o el retardo del instrumento. Esta diferencia depende de la calidad del sensor; a mejor calidad del sensor, menor la diferencia. [1] Como se podrá ver en los temas subsiguientes, también existen otras variables que se define a continuación: El set-point, o valor de referencia, es el valor deseado de la variable controlada. El error es la diferencia entre el set-point y el valor medido de la variable controlada. El controlador es un sistema receptor de información y generador de diagnóstico y de toma de decisión (acción de control). En la mayoría de los casos, el controlador recibe la información transmitida por el sensor, calcula el error de control y, sobre la base de ese resultado, envía la instrucción al actuador para que modifique o mantenga el valor de la variable manipulada en una cierta cantidad dependiente de dicho error. La salida del controlador es la acción de control deseada para acercar el valor medido de la variable controlada al valor del set-point. [1][2] 2.2 Tipos de Lazos De Control Existen varios tipos de lazos de control, y la implementación de cada uno de ellos dependerá de la manera en que se quiera obtener los resultados esperados. Por ejemplo, si la calidad de un producto tiene estrecha relación con la fidelidad del sistema de control, para lograr un producto de alta calidad se deberá implementar un lazo de control más sofisticado que para uno de inferior calidad. [2] Rodrigo Rodríguez Tapia Página 19
Capítulo 2: Sistemas de Control. 2.2.1 Control en lazo abierto ( open loop ) El sistema de control de lazo abierto no compara el valor actual de la variable controlada con el resultado deseado para determinar la acción de control. A cambio de esto, se requiere de una calibración previa del sistema para la obtención del resultado esperado. Por ejemplo, se puede calibrar un calentador, donde se pueda tabular la corriente ingresada al sistema v/s la temperatura final del calentador. Así, al querer obtener cierta temperatura sólo se deberá aplicar la corriente, que se indique en la tabla para provocar esa temperatura. Cabe suponer que este tipo de lazo de control puede ser poco satisfactorio, puesto que ante alguna perturbación el sistema no será capaz de autoajustarse. Sin embargo, debido a la simplicidad y economía de los sistemas de control de lazo abierto, se les encuentra en muchas aplicaciones no críticas. 2.2.2 Control en lazo cerrado ( feedback ) En este tipo de lazo se compara el valor medido de la variable controlada con el valor de referencia. Por lo tanto, se puede efectuar una acción de control basada en esta diferencia o error, y así mantener continuamente ajustado el sistema (Figura 2-3). Set-Point Error Acción de Control Variables Medidas + - Detector de Error CONTROLADOR SISTEMA CONTROLADO Figura 2-3 Diagrama de Control en Lazo Cerrado ( Feedback ). [9] Rodrigo Rodríguez Tapia Página 20
Capítulo 2: Sistemas de Control. 2.2.3 Control hacia adelante ( feedforward ). A esta estructura también se la llama control por avanación. En este lazo de control (Figura 2-4) se mide el valor de una o más perturbaciones relevantes y, con dicha información, el controlador puede decidir una acción de control que se adelanta, en cierta medida, al efecto de la perturbación sobre el sistema. Aún así, al no existir realimentación de la variable controlada, no se garantiza que el error de control llegue a ser cero. PERTURBACIONES MEDIDAS Perturbaciones CONTROLADOR SISTEMA CONTROLADO Set-Point Acciones de Control Variables Medidas Figura 2-4 Lazo de control hacia adelante ( Feedforward ). [9] 2.2.4 Control feedback feedforward. Este lazo de control posee los dos tipos de lazos anteriores y, por lo tanto, produce acciones de control definidas por las perturbaciones y por la variable final del proceso. Este tipo de lazo genera una mejor respuesta de control con respecto a la que se lograría con uno de los lazos por separado, pero con mayor sofisticación. CONTROLADOR FEED-FORWARD Perturbaciones medidas Perturbaciones no medidas Set Point + - CONTROLADOR FEEDBACK + + Variable Proceso SISTEMA CONTROLADO Figura 2-5 Diagrama Control Compuesto (Feedback Feedforward). [9] Rodrigo Rodríguez Tapia Página 21
Capítulo 2: Sistemas de Control. 2.2.5 Control compuesto ( cascada feedback feedforward ). Este lazo dispone de dos controladores consecutivos regulando la acción de control que entra al actuador, permitiendo así un control más eficiente que todos los vistos anteriormente. Control en Cascada CONTROLADOR FEED-FORWARD Perturbaciones medidas Perturbaciones no medidas Set Point CONTROLADOR + _ PRIMARIO + + _ CONTROLADOR SECUNDARIO SISTEMA CONTROLADO Variable Proceso Figura 2-6 Diagrama de Control Compuesto (Cascada Feedback - Feedforward). [9] Como requerimiento de este sistema, la dinámica de la variable secundaria debe ser mucho más rápida que la de la variable primaria. 2.3 Modos de Control 2.3.1 Control ON/OFF Este es uno de los modos de control más simples. La acción de control tiene sólo dos posibilidades, dependiendo del signo de la señal de error. Por ejemplo, para el caso de una válvula, estas posibilidades pueden ser completamente abierta o completamente cerrada. Esto provoca que la variable manipulada puede tomar sólo su valor máximo o mínimo. La mayoría de este tipo de controladores tiene una zona neutral, que es un rango para el valor del error alrededor de cero, en el cual la acción de control no tiene lugar. El modo de control on/off provee pulsos de energía al proceso y, por lo tanto, suele causar un ciclo oscilatorio sobre la variable controlada. Rodrigo Rodríguez Tapia Página 22
Capítulo 2: Sistemas de Control. Un claro ejemplo de este tipo de control es la plancha eléctrica, donde la variable controlada es la temperatura y la variable manipulada es la corriente. Un contactor deja pasar toda la corriente si la temperatura está por debajo del valor de referencia e interrumpe el paso de dicha corriente cuando la temperatura está por sobre el valor de referencia. 2.3.2 Control PID La acción de control puede ser proporcional (P) al error, a la integral (I) del error y/o a la derivada (D) del error. Así, existen el modo de control proporcional (P), el proporcionalderivativo (PD), el proporcional-integral (PI) y el proporcional-integral-derivativo (PID) como la combinación de estos modos de control. y(t) Entrada al escalón unitario Sobrepaso máximo 1.05 1.00 0.95 0 Tiempo de asentamiento t Figura 2-7 Respuesta típica al escalón unitario de un sistema de control. [9] La Figura 2-7 representa la respuesta de un sistema de control cuando la entrada es una función de escalón unitario. El sobrepaso máximo es la diferencia máxima que se genera entre el valor de la respuesta y el valor en estado estable luego que la respuesta logra por primera vez el valor estable. Dependiendo el sistema, el sobrepaso máximo puede ocurrir en un pico posterior, e incluso puede ser negativo. En la Figura 2-7 el sobrepaso ocurre en el primer pico. Rodrigo Rodríguez Tapia Página 23
Capítulo 2: Sistemas de Control. El sobrepaso máximo se utiliza para medir la estabilidad relativa de un sistema de control. Comúnmente un sistema con gran sobrepaso es indeseable. El tiempo de asentamiento o establecimiento es el tiempo requerido para que la respuesta del escalón disminuya y permanezca dentro de una banda establecida por un pequeño porcentaje en torno a su valor final. Una cifra de uso frecuente es 5%. Control PD Control PID Control PI Tiempo Figura 2-8 Respuestas al escalón con los controles PD, PI y PID. [9] Un controlador PD reduce más el tiempo de asentamiento respecto de controlador PI y éste, a su vez, reduce más el sobrepaso máximo respecto del controlador PD. El controlador PID obtiene resultados intermedios entre PD y PI (Figura 2-8). El controlador PD sólo puede dar lugar a un error en estado estacionario no nulo. 2.4 Controlador Lógico Programable (PLC) Un PLC (Controlador Lógico Programable), también denominado autómata programable, fue originalmente diseñado para controlar procesos industriales de naturaleza Rodrigo Rodríguez Tapia Página 24
Capítulo 2: Sistemas de Control. combinacional o secuencial, de carácter binario, en tiempo real. Actualmente se lo usa también para controlar variables de tipo analógico. Su rango de aplicabilidad es muy diverso, desde los grandes procesos, con más de 1000 puntos de entrada/salida (señales de medición o de comando), hasta unos pocos puntos, como subprocesos industriales o aplicaciones de Domótica. Los PLC s modernos cuentan además con funciones matemáticas especiales, algoritmos de control convencionales (PID) y avanzados, etc. En capítulos posteriores se entrará más en detalle respecto de cómo opera y cómo se configura un PLC, a la vez que se analizarán sus componentes y módulos, en relación al sistema desarrollado. [9] 2.5 Sistemas de Control Centralizado (SCADA) La palabra SCADA es una sigla que significa Supervisory Control And Data Acquisition. Es una aplicación de software diseñada para funcionar sobre ordenadores relacionados con un proceso de control de producción, comunicándose con los dispositivos de campo (controladores autónomos, PLC s, instrumentos inteligentes, etc.) y despliega la información más relevante, en forma amena e inteligible por el operador. Aglutina toda la información que se genera en el proceso productivo, tanto del nivel en el que está inserto el computador donde se está ejecutando (gestión de estados de alarma o control y supervisión de procesos) como de otros niveles jerárquicos de la empresa (para control de calidad, supervisión general, mantenimiento, etc.). En la Fig. 2.9 se aprecia cómo se han modificado los antiguos paneles de control por sistemas SCADA, que no sólo permiten tener una información más completa y amena sobre el proceso, sino que mejoran las condiciones de trabajo de los operadores del sistema. [9] Rodrigo Rodríguez Tapia Página 25
Capítulo 2: Sistemas de Control. (a) (b) Figura 2-9 (a) Antiguos tableros de control. (b) Sistemas virtuales de actualidad. Los sistemas actuales han permitido eliminar muchos de los antiguos componentes de cableado por sistemas virtuales, simulados desde la pantalla de un computador, desde donde se puede supervisar todo el proceso de control. En el CAPÍTULO 6 se abordará a fondo la configuración y manejo de sistema SCADA mediante el software industrial INFILINK HMI en conjunto con KEPServerEx. Rodrigo Rodríguez Tapia Página 26
Capítulo 3: Planta de Laboratorio para el Control de Procesos. CAPÍTULO 3 PLANTA DE LABORATORIO PARA EL CONTROL DE PROCESOS 3.1 Introducción La planta de laboratorio, sobre la que se ejecutó este trabajo, es fruto del desarrollo de 3 memorias anteriores, realizadas por alumnos de la carrera de Ingeniería en Ejecución Mecánica. La primera memoria se refirió al diseño, donde se estructuró el layout, y se determinó los instrumentos con que se iba a contar, del tal modo que se pudiese llevar a cabo el control de 4 variables físicas, que industrialmente son las más comunes: temperatura, nivel, caudal y presión. Además se propusieron un número de experiencias elementales que se pueden concretar en la planta, algunas de las cuales han servido como punto de partida para las que se sugieren en esta memoria. Rodrigo Rodríguez Tapia Página 27
Capítulo 3: Planta de Laboratorio para el Control de Procesos. En una segunda etapa, tuvo lugar la fabricación y montaje de la planta, que debido a su envergadura, se dividió en dos partes (dando lugar a dos memorias separadas). Por motivos de costo, mejoras implantadas y errores no previstos, en esta etapa se modificó en pequeña medida lo establecido en la etapa inicial de diseño, no afectando el desempeño final que debería tener la planta. 3.2 Descripción General El equipo de laboratorio consta de una estructura móvil de hierro, con ruedas, sobre la cual descansa una plataforma de madera en posición horizontal que sirve de mesón y otra en posición vertical que cumple la función de panel. Sobre este panel se encuentran dispuestos tres estanques de acero, color azul, interconectados mediante cañerías de cobre de ½, como se puede observar en la Figura 3-1. En primer lugar, es bueno advertir que las experiencias que pueden realizarse en esta planta son con agua. En lo posible debiera ser agua blanda para evitar sarros y otras incrustaciones que puede generar el uso de agua potable u otro tipo de agua procesada. Según la memoria de diseño, las experiencias mínimas para el control de las 4 variables puede hacerse en un solo estanque, pero el segundo y el tercero fueron agregados con el fin de configurar circuitos en serie y en paralelo, superponiendo el control de las variables, y pudiendo llevar a cabo un control multivariable de mayor complejidad. En la parte inferior de la estructura, bajo el mesón, se encuentra una bomba de agua, la cual se encarga de alimentar la planta con agua que proviene de un recipiente de acero, ubicado en el mismo sector (Figura 3-1), (4) y (6)). La bomba extrae el líquido desde este recipiente para hacerlo llegar a los estanques del panel, y luego de cerrar el circuito, el agua, vuelve en forma de desagüe al mismo recipiente. Con esto se tiene la ventaja de ahorrar el gasto que significaría tener la planta conectada a la red de agua, ya que el agua es reutilizada y, por otra parte, le da libertad al equipo, puesto que puede ser ubicado en cualquier parte sin la dependencia de estar cerca de redes de agua. Rodrigo Rodríguez Tapia Página 28
Capítulo 3: Planta de Laboratorio para el Control de Procesos. 12 11 19 14 15 1 13 2 17 16 14 14 20 20 18 15 10 3 13 8 9 7 14 5 6 4 Figura 3-1 Planta de Laboratorio. (1) Estanque Nº 1. (2) Estanque Nº 2. (3) Estanque Nº 3. (4) Estanque de Alimentación. (5) Tablero de Eléctrico. (6) Bomba de recirculación. (7) Trampa de agua con manómetro. (8) Convertidor I/P. (9) Mainfold con manómetro. (10) Transductor de Presión. (11) Sensor Ultrasónico de Nivel. (12) Válvula Neumática. (13) Sensores de Flujo. (14) Válvulas motorizadas. (15) Sensores Pt-100. (16) Calefactores trifásicos. (17) Válvula de bola de 3 vías. (18) Válvula de bola. (19) Filtros Y. (20) Sensores de Nivel. Sobre el mesón (al costado derecho) se ubica, perpendicular al panel, un tablero eléctrico (Figura 3-1, (5)), el cual cuenta internamente con todos los puntos de conexión, tanto de los instrumentos de medición y de control, como de los de fuerza eléctrica de la planta. También en este tablero, en su parte inferior, se encuentra alojado un PLC, el que dispone de 10 módulos (entre fuente de alimentación, CPU y módulos de señales). Rodrigo Rodríguez Tapia Página 29
Capítulo 3: Planta de Laboratorio para el Control de Procesos. Sobre el panel, como se muestra en la Figura 3-1, se puede observar los distintos instrumentos con que cuenta la planta, los cuales serán descritos en detalle más adelante. Algunos de ellos están afirmados a la pared de los estanques, como lo son los sensores de temperatura Pt-100, los sensores de nivel basados en strain gages, los calefactores e indicadores de temperatura y nivel. Se observa también interruptores de nivel que están dentro de los estanques. Conectado a las cañerías se pueden ver sensores de flujo, con filtros Y puestos antes de cada uno de ellos, y algunos tipos de válvulas (como la válvula neumática, que está en la parte superior, las válvulas de bola manual y las válvulas motorizadas de mando eléctrico). Además, se cuenta con pares de switches de posición en cada una de las válvulas de mando eléctrico, las que permiten saber si éstas se encuentran totalmente abiertas o totalmente cerradas. En el extremo inferior izquierdo del panel se puede ver un circuito de aire comprimido. Primero, con un indicador de presión adosado, está un filtro, que regula el aire proveniente de un compresor externo. Luego, está un convertidor I/P, cuya función es permitir el paso de aire a cierta cantidad de presión, que es utilizado para comandar la válvula neumática, dado un valor de corriente. La salida del convertidor I/P se encuentra conectada a la entrada de un manifold, a cuyas salidas se conecta la válvula neumática, un indicador de presión tipo Bourdon y un transmisor de presión con salida de voltaje. En la parte posterior del panel se pueden visualizar canaletas de plástico por las cuales se conducen todos los cables hacia el tablero eléctrico. Además se pueden ver varias mangueras de plástico, por las cuales sube el agua, desde la bomba al circuito del panel, y luego baja en forma de desagüe, desde los estanques y del mismo circuito hasta el recipiente inferior. Hasta la fecha, la planta ha sufrido varias modificaciones. Dentro de las más relevantes es la omisión de un intercambiador de calor para hacer experiencias en paralelo y Rodrigo Rodríguez Tapia Página 30
Capítulo 3: Planta de Laboratorio para el Control de Procesos. contracorriente, según diseño. Éste se omitió por un tema costo y porque no contar con este equipo no afectaba en gran medida el desempeño de control. Otro cambio importante tiene relación con el controlador que operaría en la planta. En un principio, se consideraron dos tarjetas que comandarían los dispositivos de la planta. Ahora, en cambio, se cuenta con un autómata programable (PLC), cuya configuración y programación forma parte de esta memoria. 3.3 Representación Esquemática A continuación, en la Figura 3-2, se ilustra un esquema de la Planta con símbolos de instrumentación que han sido estandarizados por la Sociedad de Instrumentistas de América (ISA) y que se ha informado mediante la Norma ANSI/ISA S5.1-1984 R(1992). El objetivo de esta estandarización es transmitir de manera más fácil y especifica la información. Los símbolos reflejan la clase y posición de los instrumentos, y las líneas representan los tipos de señal. Además, se usa una nomenclatura para advertir cuál es la función del instrumento (Tabla 3-1) y también una numeración, o TAG, para su mejor identificación a la hora de configurar el sistema de control. Tabla 3-1 Nomenclatura de instrumentación. Nomenclatura Dispositivo Cantidad TT Transmisor de Temperatura (Temperature Transmitter). 5 FT Transmisor de Flujo (Flow Transmitter). 5 LT Transmisor de Nivel (Level Transmitter). 3 ZS Interruptor de Posición (Position Switch). 8 PT Transmisor de Presión (Pressure Transmitter). 1 LSL Interruptor de Nivel Bajo(Level Switch Low). 3 LSH Interruptor de Nivel Alto(Level Switch Hight). 3 TI Indicador de Temperatura (Temperature Indicator). 3 LI Indicador de Nivel (Level Indicator). 3 PI Indicador de Presión (Pressure Indicator). 2 M Motor 5 Rodrigo Rodríguez Tapia Página 31
Capítulo 3: Planta de Laboratorio para el Control de Procesos. TT 01 ESTANQUE 1 LSL 01 LT 01 LSH 01 TI 01 LI 01 FV-1 M2 FT 01 ZS ZS 01 02 FV-2 FT 02 FT 04 FT 03 M3 ZS 03 FV-3 M4 ZS 05 FV-4 ZS 04 ZS 06 TT 03 ESTANQUE 2 LSL 02 TT 02 LT 02 LSH 02 TI 02 LI 02 TT 04 PI 01 I P PI 02 PT 01 FT 05 M5 ZS 07 FV-5 ZS 08 TT 05 ESTANQUE 3 LSL 03 LT 02 LSH 03 TI 03 LI 03 Compresor M1 Bomba Estanque de alimentación y desagüe de Agua. Conexión Al Proceso. Válvula De Bola. Tubo Flexible. Señal Neumática. Válvula Neumática Normalmente Cerrada. Filtro Y. Activación Manual. Filtro Regulador. Instrumento de Medición Conectado al Proceso. I P Convertidor Corriente/Presión M1 Motor. Válvula de Tres Vías. Calefactor. Figura 3-2 Esquema de Planta de Laboratorio (P&ID) con simbología de instrumentación, según norma ISA S5.1. Rodrigo Rodríguez Tapia Página 32
Capítulo 4: Descripción de Componentes. CAPÍTULO 4 DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Como se mencionó anteriormente, según puede verse en la representación esquemática de la Figura 3-2, la planta de laboratorio cuenta con una serie de instrumentos apropiados para su uso. Se dispone de sensores de temperatura, nivel, caudal, presión y posición; indicadores de nivel, temperatura y presión; y válvulas neumática y de bola (con activación manual y motorizada). Todos estos instrumentos serán descritos a continuación, con el fin de conocer en detalle su funcionamiento, advertir cuáles son sus requerimientos, los rangos de operación y cómo han sido conectados. Cabe mencionar que los esquemas que se ilustran son sólo explicativos. 4.1 Descripción de los Sensores 4.1.1 Sensores de Temperatura (TT) Para el sistema de control se eligió utilizar sensores de temperatura por variación de la resistencia en materiales conductores, es decir termoresistencias (RTD), específicamente Rodrigo Rodríguez Tapia Página 33
Capítulo 4: Descripción de Componentes. del tipo Pt-100. Se puede ver que hay 5 de estos ejemplares montados en el panel: 3 adosados a cada uno de los estanques (para medir la temperatura del agua dentro de estos) y uno en cada tubería asociada al flujo de entrada de agua a los estanques 2 y 3. El Pt-100 es un sensor de temperatura que basa su funcionamiento en la variación de resistencia a cambios de temperatura del medio. El elemento sensible consiste en un arrollamiento muy fino de platino bobinado entre capas de material aislante y protegido por un revestimiento cerámico. El arrollamiento tiene una resistencia eléctrica de 100 Ω a 0º C y va aumentando o disminuyendo dependiendo de si aumenta o disminuye la temperatura del medio que lo rodea, respectivamente. TT i 1 2 3 Pt-100 GND A B A C V + V - I + I - Módulo de Entrada Analógico SM331 AI Grupo de Canales i-1 Figura 4-1 Esquema de conexión de las Pt-100 a los módulos de entrada del PLC. Existen 3 modos de conexión para las Pt-100: con dos, tres y cuatro hilos. Para cada uno se requiere un instrumento lector distinto y se obtienen diferentes precisiones. Las que están montadas el la Planta son, en estricto rigor, de 3 hilos, pero se hizo el cableado con 4 hilos para poder conectarlas directamente al PLC (que es la configuración que admite en sus módulos de entrada). Como se puede ver en la Figura 4-1, se conectó dos cables al borne 1 de la Pt-100 y uno en cada una de las borneras 2 y 3 que están interconectadas entre sí. De esta manera se llega con cuatro hilos del mismo largo al PLC, compensando la resistencia de los cables. De no hacer esto, hubiera sido necesario puentear V+ con I+ en el módulo de entrada analógica, perdiendo algo de precisión. Además, para reducir perturbaciones en la Rodrigo Rodríguez Tapia Página 34