UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL Ing. Carlos Calderón C.
INFORME DE PROYECTO Pablo Cruz; Diego Maza; Luis Villamagua
CONTROL DE TEMPERATURA Y NIVEL DE AGUA EN UN CONTENEDOR OBJETIVO GENERAL: Realizar un sistema de control automático basado en tecnología PLC para el control de la temperatura y el nivel de líquido en un contenedor. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Seleccionar las herramientas apropiadas para realizar el cometido expuesto en el objetivo general, esto es, tipo de PLC, plataforma de programación, sensores, actuadores, etc. Calibración de los elementos constitutivos del sistema, tal como, el sensor de temperatura, sensor de nivel. Determinar una lógica funcional que controle de manera eficiente el funcionamiento del sistema. Detallar las especificaciones técnicas de los componentes y del programa cargado en el PLC.
1. VARIABLES DEL PROCESO En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques del sistema, mientras que las variables de entrada/salida (E/S) junto con sus sensores/actuadores se detallan en la tabla.
Diagrama de bloques del sistema a implementar
Variables de entrada Rango Sensores Temperatura 20 a 35 °C Sensor resistivo (NTC de 10K) Nivel de líquido en el contenedor 10 a 40 Infrarrojo Variables de salida Control del nivel de agua FC15E-7 Electroválvula Control del nivel de temperatura Niquelina Ntc 10 kohm Alarma de sobre nivel Setpoint Luz piloto Alarma de temperatura Setpoint Luz piloto Definición de las variables de Entrada/Salida
2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO Con el objetivo de integrar los conceptos relacionados a la instrumentación y automatización de procesos, diseñamos un prototipo que permite interactuar con variables como la temperatura y el nivel del líquido. El sistema de control está basado en un módulo que abarca estructura física, parte eléctrica, y los requerimientos que la instrumentación y los actuadores necesitan para que las prácticas de técnicas de control se implementen. Los componentes del sistema son los siguientes:
2 Tanques de vidrio 1 Interfaz máquina-humano 1 Niquelina eléctrica 1 electroválvula 1 Medidor de temperatura 1 Medidor de nivel Fuentes de poder Acondicionamiento de señales
La interfaz máquina-humano contiene los elementos de control y las luces piloto, en donde el elemento central es el PLC, aquí también están los indicadores digitales que muestran la temperatura del líquido y el nivel conforme varían según los requerimientos del operador. Además incluye las tarjetas de acondicionamientos de sensores e interruptores de funcionamiento. La estructura del prototipo mostrado en la figura A contiene dos tanques, el primero encargado de suministrar líquido al segundo mientras lo permita la electroválvula de paso, la misma que se accionará una vez que el nivel de líquido requerido en el tanque sea completado.
2
La temperatura y el nivel del líquido serán medidos en tanque más grande, mediante la adecuación de sensores, que en conjunto con la niquelina y la electroválvula forman parte del conjunto de instrumentos. Tanques de Vidrio Son dos los tanques de vidrio con el objetivo de apreciar el nivel del liquido, el primero (Tanque A) se encarga del suministro de agua simulando una tubería de agua. En segundo tanque (Tanque B) se medirá las variables de temperatura y de nivel de líquido. El tanque A de dimensiones 30 centímetros de altura, 10 centímetros de ancho y 20 centímetros de profundidad, tiene en una de sus paredes adaptada la electroválvula para el llenado del tanque B mediante una manguera, como lo muestra la figura B. Al tanque B se conecta una llave de paso manual como lo muestra la figura C para simular las fugas de agua. La forma del tanque es cubica cuyas dimensiones son 60 centímetros de altura, 30 centímetros de ancho y 15 centímetros de profundidad. La capacidad de almacenamiento es de 27 litros es decir 7.13 galones. En este tanque también se encuentra la estructura de soporte para el sensor de nivel ubicado en la parte superior del tanque, y la niquelina que va en una de las paredes del tanque, alcanzando el fondo del recipiente.
3. ELECTROVÁLVULA El drenado de agua del tanque A al tanque B está determinado por la activación y desactivación de la electroválvula, la misma que según especificaciones como el diámetro de tuberías y voltaje de activación fue seleccionada. En la figura C se muestra la electrovalula seleccionada, cuyas especificaciones se resumen a continuación:
Modelo: FC15E-7 Power: Solenoid Material: Plástico Voltaje de funcionamiento: 3.6V 6V 9V 12V 24V 110v 3
Presión de funcionamiento:: 0-50 PSI, 10-600 Psi, 20-800 Psi Medio: Agua Presión máxima: 1500 Psi Temperatura del medio: 0-150. Vida de servicio: 100.000 veces Dimensiones de instalación: entrada Φ ½” y enchufe Φ 3/8”
4. SENSOR INFRARROJO Para medir el nivel del agua, hemos utilizado un sensor tipo infrarrojo. Este sensor envía un pulso de 32 ms de duración, el cual impacta con el flotador que se encuentra dentro de la torre de agua; este pulso vuelve hacia el receptor que está embebido en el mismo dispositivo. El dispositivo que hemos utilizado es el GP2Y0A21YK.
Especificaciones eléctricas
4
La señal del sensor tiene una curva característica que se muestra a continuación. Series1
Polinómica (Series1)
2,5 2 1,5 1
Y0,5= -7E-05x3 + 0,0072x2 - 0,2654x + 4,3054 0 0
10
20
30
40
50
Se puede obtener una línea de tendencia muy aproximada a la original. Sin embargo, debido a que el PLC de generación quinta no permite ingresar esa ecuación, hemos decidido dividirla en dos partes. A estas dos partes las linealizamos. La línea de tendencia superior, es mostrada en la siguiente figura.
Niv(señal_sensor) 45 40 35
Series1
30
Tend superior
25
y = -39,473x + 67,298
20 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Los errores en este segmento despreciable. La línea de tendencia inferior, se muestra a continuación:
Niv(Senal_sensor) 30 25 20 Series1
15 10
Tend inf
y = -11,054x + 34,696
5 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
Se puede ver mayor cantidad de errores existe en la recta del nivel inferior. 5
5. SENSOR TRANSMISOR DE TEMPERATURA Se utilizará el termistor TTC-103, que posee las siguientes características:
4050º K 2seg 4.5mV /º C R0 10 K T0 25º C 298º K Dimensionamiento del circuito de acondicionamiento Primeramente para cumplir con el error requerido debemos tener en cuenta el efecto de autocalentamiento al fijar el nivel de la tensión de la fuente de alimentación para el circuito (divisor de voltaje) de acondicionamiento del termistor, mediante:
Vi max 2 TR Donde:
:
es el coeficiente de disipación o conductancia térmica resistencia fija del divisor de voltaje del circuito de acondicionamiento de la NTC T : es el incremento de temperatura producido por el autocalentemiento, que será máximo cuando la resistencia RT del termistor sea igual a la resistencia fija del divisor, R R:
Acondicionamiento para el termistor
Donde el valor de la resistencia fija R se lo obtiene de la siguiente ecuación:
R
2TC RTC 2TC
Donde: TC: es la temperatura central de nuestro margen de medida
: es el índice de sensibilidad del termistor en grados Kelvin
Entonces tenemos que TC es:
TC
Tmax Tmin 353,16º K 293,16º K 323,16º K 2 2 6
Y el valor de la resistencia central RTC se la obtiene reemplazando el valor de en la ecuación que representa el comportamiento (variación de la resistencia) del termistor, mediante:
RTC R0 e
(
1 1 ) TC T0
RTC 10 K * e
4050(
1 1 ) 323,16 298,16
RTC 3.5K Con lo cual podemos calcular el valor de la resistencia fija R del divisor:
R
2TC RTC 2TC
4050 2(323,16) (3.5k) 4050 2(323,16) R 2.5k R
El texto recomienda que fijemos que el error máximo de autocalentamiento ΔT sea diez veces menor que la precisión requerida, teniendo
T 0.5º C / 10 0.05 Con lo cual procedemos a calcular la tensión mediante
Vi max 2 TR Vi max 2 0.05 * 4.5 x10 3 * 2.5K Vi max 1.509.61V 1.5V Determinación de la recta de calibración linealizada Una vez establecido los parámetros del circuito de acondicionamiento, procedemos a encontrar la recta linealizada (recta de calibración) la respuesta en el punto medio del margen de medida, mediante
V0lineal (T ) V0 (TC ) S (TC ) * (T TC ) Donde:
T: Temperatura a medir entre 20°C a 80°C S(TC): es la sensibilidad en el punto central, que procedemos a calcularla mediante:
S (TC )
Vi 2 2 1 4TC
1.5 4050 2 1 2 4050 4 * (323,16) S (TC ) 0.0141869V / K S (TC )
y V0(TC): es la tensión de salida real para la temperatura central
7
R
V0 (TC ) Vi
R R0 e
1 1 TC 298
2.5 K
V0 (TC ) 1.5V
2.5K 10 K * e 2.5 K V0 (TC ) 1.5V 5.9921K V0 (TC ) 0,625759V
1 1 4050 323,16 298,16
Resultando que la recta de calibración queda dada por
V0lineal (T ) 0.6257 0.01418(T 323) Teniendo así una salida de nuestro sensor como se indica a continuación
Respuesta linealizada del termistor [Volt]
Termistor NTC-103 1,2 1,05093496 0,90920964
1 0,8
0,76748432 0,625759
0,6 0,48403368
0,4
0,34230836
0,2
0,20058304
0 20
30
40
50
60
70
80
Rango de medida °C Respuesta del circuito de acondicionamiento del termistor
Dimensionamiento del circuito para la amplificación y anulación del offset Una vez conocidos los niveles de salida de nuestro divisor de voltaje quedaría por hacer un acondicionamiento de esta señal que consistirá en restar el offset (V0(T) para T=20°C) y amplificarla para adaptarla al margen de entrada de la DAQ que deberá estar entre 0V y 5V. Entonces, para obtener una salida amplificada de la señal se procede a calcular la ganancia del circuito de amplificación, mediante:
G
S IDEAL S REAL
Donde: SIDEAL: es la sensibilidad a la que se desea llegar luego de amplificar la señal de la NTC SREAL: es la sensibilidad del circuito de acondicionamiento del termistor (divisor de voltaje) Teniendo:
8
S IDEAL
V 10 0 0.16666 T 80 20
S REAL
V 1.0533 0.2025 0.01418 T 80 20
Consecuentemente
G
S IDEAL 0.16666 11,753596 S REAL 0.01418
Voltaje amplificado hacia la DAQ
Amplificacion de la señal 12 10 8 6 4 2 0 -2 0
0,2
0,4 0,6 0,8 Salida del divisor de voltaje
1
1,2
Amplificación de la señal del circuito de acondicionamiento del termistor
Entonces con esta ganancia procedemos a calcular la resistencia de retroalimentación y la que conecta a la entrada inversora del amplificador operacional, teniendo
G
R1 1 11,753596 RG
Teniendo R1 = 127, 75 Kohm y RG = 12 Kohm, (R1 estará a cargo de un potenciómetro de precisión de 250 Kohm). Vi 1.5 V 15 V U1(V+)
RT2 U2
7 1
7 1
-tc 10.0k 3
6 2 LM741
R3
U1
3
6
10k
2
2.5k
RG 12k
-15 V
R1
R5 10k
R6
4 5
R
4 5
LM741
10k 2,38V
130k
-15V
R4
10k
Configuración del circuito de acondicionamiento para la amplificación
9
A continuación se configura el amplificador restador, esto con el fin de que en el momento que el sensor este expuesto a 15 °C la salida de todo el circuito sea 0 voltios. Teniendo V0(T) para T=15°C
V0lineal (T ) 0,2025688 Dando un offset de ( )
Configuración del circuito restador
Y a continuación se presenta el circuito completo Vi 1.5 V 15 V U1(V+)
RT2 U2
7 1
7 1
-tc
10.0k 3
R3
6 2
6
10k
LM741
U1
3 2
2.5k
Volts
RG 12k
+7.44 -15 V
R1
Volts
R5 10k
R6
4 5
+0.63
R
4 5
LM741 +5.06
10k
Volts
2,38V -15V
130k
R4
10k
Circuito para la adecuación de la señal a conectar a la DAQ
6. CONEXIONES En esta sección describiremos el proceso a controlar junto con las variables implicadas, categorizándolas como señales analógicas o digitales, de entrada o salida. Estableceremos los rangos de trabajo de temperatura y nivel del líquido que se consideran normales en el proceso y la activación de luces piloto tras sobrepasar los límites establecidos. Además, presentaremos de manera específica los criterios utilizados para la selección de los elementos del sistema de control. Determinaremos qué tipo de PLC se requerirá con su respectiva plataforma de programación, posteriormente definiremos los sensores adecuados para este proceso con la correspondiente etapa de calibración, y finalmente presentaremos la lógica de control implementada en el PLC explicando detalladamente su comportamiento.
10
7. PLC, CARACTERÍSTICAS GENERALES. Se ha seleccionado el PLC Logo! 12 /24 RC para la realización del presente proyecto 1. 2. 3. 4. 5. 8. 10.
Alimentación de tensión Entradas Salidas Receptáculo de módulo con revestimiento Panel de manejo Interfaz de ampliación Codificación mecánica
PLC LOGO! 12/24 RC
En el anexo se adjunta las especificaciones eléctricas del logo siemens 12/24 RC tomado del manual de Logo de junio del 2003. Donde podemos encontrar que las entradas analógicas I7 (AI1) e I8 (AI2) serán las que nos permitirán hacer la conexión de las señales de los sensores. Mientras que en la entrada digital I1 se conectara el pulsador de ejecución / stop y mediante las salidas Q1, Q2, Q3 y Q4 se conectara la niquelina, la electroválvula y las dos luces piloto de sobrenivel y sobrecalentamiento.
8. PROGRAMA PARA EL CONTROL DEL PROCESO Programa para el control del proceso
Programa diseñado mediante Logo Soft Confort para el control del sistema
11
Funcionalidad del sistema Al ejecutar el programa se nos indicara mediante el display del Logo! los niveles de temperatura tanto los medidos mediante los sensores como los valores de consigna que el operario ingresará mediante las 4 teclas cursor del Logo.
Pantalla de inicio mediante el Display de Logo (HMI)
Donde: Te: Valor de consigna de temperatura entre 20-35 °C (operario) Ni: Valor de consigna del nivel de liquido 10-40 cm (operario) S.Temp: Valor de temperatura medido mediante el termistor NTC 103 S.Niv: Valor del nivel del liquido medido mediante el sensor ultrasónico A continuación se procede a fijar los valores de consigna mediante los cursores del propio Logo
Setteo de los valores de consigna de temperatura y nivel
En este caso hemos fijado como valor de consigna en temperatura de 25 °C y en el nivel de líquido de 13 cm. Esto mediante las teclas C1 y C2 para la temperatura y mediante C3 y C4 para el nivel de líquido. A continuación se procede a ejecutar el proceso de control mediante el swith I1 que ha sido configurado como una entrada digital.
12
Ejecución del control y activación de la niquelina a primera instancia y luego será la electroválvula
Entonces, al iniciar el control del proceso podemos observar que se ha activado la salida Q1 correspondiente a la niquelina. Este accionamiento se debe a que el valor sensado de temperatura está por debajo del valor de consigna. Luego procedemos a incrementar el valor de temperatura y de nivel del líquido sensados mediante las entradas analógicas AI1 y AI2 respectivamente. Debemos indicar que primeramente se calentara el liquido en el contenedor matriz, y una vez que alcance la temperatura settiado como valor de consigna se activara la electroválvula para empezar a llenar el contenedor secundario ya con el liquido a la temperatura solicitada.
Activación de la electroválvula, luego que el liquido alcanzó la temperatura de consigna
Al momento en que el valor de consigna y el sensado sean iguales se procede a desactivar automáticamente la niquelina y la electroválvula, cada actuador en su debido momento.
13
Desactivación de la niquelina y electroválvula consecutivamente
Ahora, el programa también cuenta con indicadores de sobrenivel y sobrecalentamiento, esto mediante señales visuales con luces piloto en las salidas Q3 y Q4 respectivamente. La activación de estas se da cuando el valor medido sea mayor en una unidad al valor fijado como consigna.
Accionamiento de los indicadores de sobrecalentamiento y sobrenivel
En la figura anterior podemos verificar el accionamiento de las luces piloto indicando el sobrecalentamiento y el sobrenivel en Q4 y Q5.
9. ESPECIFICACIONES DE LAS CARGAS El consumo de una carga, generalmente, viene detallado en su hoja de especificaciones, de no disponer de esta documentación, es preciso adquirir esta información mediante la etiqueta energética
14
correspondiente al producto. Entre los datos principales de las cargas básicamente tenemos la potencia, según la cual se deriva la corriente o el voltaje de consumo. Las cargas consideradas en el presente proyecto están constituidas por la resistencia eléctrica para calentar el agua, la electroválvula y por un par de luces piloto. La importancia de lograr un balance en la potencia de consumo radica en que el controlador lógico programable (PLC) tiene ciertas restricciones en cuanto a suministro de energía se refiere, esto es, 8 amperios de salida para equipos que operan con corriente alterna y 10 amperios en las salidas para equipos que operan con corriente continua. En la tabla a continuación se resume los valores de consumo correspondientes a las cargas que conformas el sistema de control. Dispositivo Niquelina Electroválvula Luz Piloto A Luz Piloto B
Voltaje de entrada 110Vac 110Vac 110Vac 110Vac
Corriente de consumo 3.37Aac 54.6mAac 1.4mAac 1.4mAac
Potencia 370.7W 6.006W 0.154W 0.154W
Como se puede evidenciar, los requerimientos de potencia están dentro de los límites que puede suministrar el PLC.
10. SIMULACION EN LABVIEW DSC La simulacion en labview DSC es como se muestra a continuación. Para esta simulacion tenemos tres partes. En la primera se muestra como el nivel de agua en los tanques sube o baja. También se muestran las luces de alarma y finalmente como se encienden los actuadores (electroválvula y niquelina)
En la segunda parte, se muestra el nivel de las variables de temperatura y nivel de agua con respecto al tiempo.
15
En la tercera parte, se muestra el dataloger del sistema. Se almacena el ultimo minuto del proceso y las muestras son tomadas una por segundo.
En Excel se puede apreciar de la siguiente forma
16
17
11.
ANEXOS
18
19
DIAGRAMA UNIFILAR
Electroválvula
Niquelina
20
21
