DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO EDUCATIVO DE

CONTROL DE FLUJO Y NIVEL APLICANDO CONTROL

MULTIVARIABLE “CASCADA”

RESUMEN

El desarrollo de la presente Tesis, está precisamente dedicado a la

implementación de un modulo educativo de prueba el cual permita realizar un tipo de

simulación de control de flujo y nivel, utilizando el sistema de control multivariable en

cascada, supervisado por un control SCADA vía Ethernet o RS232, el cual nos permite

la supervisión, monitoreo y control del proceso de flujo y nivel sensado.

Se tiene en cuenta que el sensado más importante es el del nivel de flujo, para

ello utilizaremos un flujómetro electromagnético el cual se basa en la ley de Faraday.

Tendremos en cuenta que la unidad de medida será en Lit/min.

Se analizaron los avances Tecnológicos para la realización del proyecto, así

como programación de sistema de control cascada en PLC, lo que ha permitido la

implementación del modulo educativo. Así mismo, se ha diseñado e implementado toda

la instrumentación correspondiente al modulo como son flujo, nivel, variador de

velocidad, control del proceso, sistema eléctrico. Posteriormente se realizaron las

pruebas de validación correspondientes.

Consideramos, que para nuestro medio actual, el Aporte Técnico ha sido

significativo por ser un Trabajo donde se han analizado y utilizado una diversidad de

equipos instrumentales tanto como sensores y actuadores, así como se han aplicado

soluciones técnicas al rotulado del cableado y a instalaciones Sub-Standard que pueda

dañar al operador de la planta conforme a nuestros requerimientos.

1

The development of this thesis is dedicated to the implementation of an

educational module of test who will allow to realize a way of simulation of flow and

level control, using a multivariable control system in waterfall, supervised by a SCADA

control routed by Ethernet or RS232, who will allow us the supervision, monitoring and

process control of the flow and level.

The most important test is the flow´s level; we will use an electromagnetic

flowmeter which one is based on Faraday's law. We will bear in mind that the unit of

measure will be in Lit/min.

We analyzed the technologic advances to realize this project, like waterfall

control system programming in PLC, what it has allowed the implementation of the

educational module. Likewise, we designed and implemented all the correspondent

instrumentation of the module in flow, level, variable speed driver, process control,

electric system. Later we realized the correspondent trays of validation.

We considerate that for our current way, the technologic contribution was

significant because it is a project where we analyzed and used diversity of instrumental

equipments like sensors and actuators, we applied technical solutions to the labeled of

the cables and sub-standard installations who could damage to the module operator in

conformity with our requirements.

2

INTRODUCCIÓN

El control automático juega un papel importante en ingeniería, aplicar un tipo de

control automático permite optimizar el proceso de control y mejorar la calidad de

producción de las diferentes empresas industriales. Por ello es necesario saber elegir,

implementar, instalar, operar, programar y sustituir los diferentes equipos y

componentes que se utilizan en la industria, realizando una mejora continua.

El presente modulo es un aporte para el laboratorio de control y automatización

del Programa Profesional de Ingeniería Electrónica para mejorar la calidad educativa,

por lo que se considera un gran aporte desde el desarrollo del control

multivariable en cascada a nivel práctico y en la implementación de

instrumentación, control, diseño y cumplimiento de normas técnicas de montaje,

ya que es de mucha importancia hoy en día para los procesos industriales.

Cabe resaltar que para conseguir este propósito se ha realizado una investigación

sobre los diversos métodos de montaje de equipos de instrumentación en campo,

comunicación industrial vía Ethernet, manejando un software de tipo SCADA.

3

La tesis en mención: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO

EDUCATIVO DE CONTROL DE FLUJO Y NIVEL APLICANDO CONTROL

MULTIVARIABLE CASCADA, se divide en tres capítulos, cuyo contenido es el sigue:

Capítulo I: Planteamiento del proyecto de investigación.

Capítulo II: Marco teórico.

Capítulo III: Desarrollo de los Módulos de Control de Flujo, nivel y Scada.

Donde en el Capitulo I Se planteara el problema y justificara el motivo de

estudio y desarrollo de la presente tesis. Para el capitulo II se realizara un estudio de

tipo de control autómata, y la instrumentación a utilizar, finalmente en el capitulo III se

explicara al detalle el desarrollo de hardware y software del modulo educativo.

Finalmente se arriba a las conclusiones, luego planeamos las sugerencias y la

respectiva bibliografía que ha sido tomada en cuenta para la ejecución de la presente

tesis.

Este trabajo ha sido realizado con dedicación y esfuerzo, sin embargo, es posible

que se encuentren algunas limitaciones u omisiones involuntarias, para lo cual se invoca

a la comprensión de los señores miembros del jurado.

4

CAPITULO I

PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO DE INVESTIGACION

1.1. Planteamiento del Problema

La correcta enseñanza para la aplicación de sistemas de control, automatización,

Instrumentación y cumplimiento de estándares de montaje es haciendo llegar el

conocimiento a los alumnos mediante el fundamento teórico y complementarlo con

experiencias practicas.

Haciendo un análisis de las prácticas realizadas en los laboratorios del programa

se encuentran algunas deficiencias tales como la falta de módulos de control y algunos

inclusive no cumplen con normas de diseño, pudiendo ocasionar un accidente dentro del

laboratorio.

5

Existen insuficientes equipos de instrumentación y medición en el Laboratorio

de Automatización, es por esto que en la planta implementada se considera el uso de

sensores, tales como flujómetro tipo electromagnético, sensor de presión tipo diferencial

para el sensado del nivel y por parte de actuadores: variador de velocidad por

modulación de frecuencia, bomba de agua, válvula de control.

Existe insuficiencia de módulos de tipo de control multivariable, y muchos de

los desarrollados por los alumnos egresados no cumplen con normas de diseño y

estándares de seguridad y calidad hoy en día muy exigidos en la industria. Es por eso

que este modulo desarrollado ayudara mucho e incentivara desde hoy en adelante en el

diseño e implementación de módulos educativos de control, que puedan ser usados de

manera segura.

1.2 Descripción Del Problema

Hoy en día para poder mantenernos en simetría con el desarrollo tecnológico

industrial, la empresa y el gobierno, la universidad tiene que modernizar constantemente

sus módulos educativos a fin de estar a la vanguardia de los avances electrónicos que se

dan en el mundo y masificando poco a poco el acceso a la misma. Debido a que nuestro

sistema universitario no cuenta con muchas plantas de control y las que existen deben

estar en constante cambio para que sean modernas a fin de no generar desavenencias en

la capacitación de los estudiantes, generando vacíos en el proceso de aprendizaje del

área de instrumentación, automatización y control de procesos.

Se elaborará un Procedimiento de Operación Estándar (POE) de tal manera que

deberá ser leído antes de manipular el módulo educativo, A fin de salvaguardar la

integridad del operador (alumnos y/o docentes) y alargar el tiempo de vida de los

equipos eléctricos y de instrumentación.

Hasta ahora se han analizado y estudiado ciertas técnicas de diseño de sistemas

de control basados en requerimientos o especificaciones tanto del período transitorio

como del período estacionario, es decir, se observa el comportamiento del sistema a lo

largo del tiempo, desde el momento en que se introduce una variable hasta cuando el

sistema responde controlando una variable de salida, se diseñan compensadores que han

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de hacer que el sistema se comporte de la manera deseada, como es el caso de

controladores P, PI, PID, todo o nada etc.

Hay otro aspecto que puede afectar el comportamiento de un sistema (además de

la entrada), son las perturbaciones externas, que pueden actuar después que el sistema

ya ha comenzado a funcionar y ya se encuentran en estado estacionario. Nosotros

desarrollaremos uno de los métodos de diseño de realimentación y compensadores

adecuados para disminuir el efecto de las perturbaciones externas en el funcionamiento

del sistema, como es el caso del control tipo en cascada

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo General

Diseñar e implementar un modulo educativo de control multivariable en cascada de

flujo relacionado con otro de nivel controlado vía PLC, con un sistema de supervisión

SCADA, con el fin de mejorar la calidad educativa en los alumnos de pre-grado de

controles automáticos de la Universidad.

1.3.2 Objetivos Específicos

Implementar el modulo educativo cumpliendo estándares de seguridad

aplicados a la industria en la actualidad.

Montaje de equipos de instrumentación tales como flujómetro, sensor de

presión, variador de velocidad y válvula de control de acuerdo a

especificaciones del fabricante.

Desarrollar, programar y controlar un sistema de control en cascada

haciendo uso del autómata programable MICROLOGIX 1200 de la marca

Allen Bradley.

Presentar una aplicación para la supervisión y monitoreo en base a un

sistema SCADA.

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Implementar y realizar las pruebas respectivas.

Desarrollar un Procedimiento de Operación Estándar (POE) para el manejo

de operación de la planta.

Incentivar en lo posterior que la universidad implemente módulos siguiendo

estándares de seguridad y cuidado del medio ambiente, requisitos

indispensable para la industria moderna.

Con la implementación de este modulo educativo se desea mejorar la

enseñanza práctica en el área de automatización y control, de tal manera que

el alumno pueda:

Afianzar los conocimientos de autómatas programables adquiridos en

la universidad.

Conocer equipos de instrumentación en sensórica y actórica ya que

hoy en día es muy común encontrar estos equipos en la industria y

minería.

Conocer sobre estándares que hoy en día la industria exige en

montajes, diseño y control de procesos, con el fin de salvaguardar su

propia integridad física en el trabajo.

Conocer, aplicar y aprender a desarrollar un Procedimiento de

Operación Estándar (POE) ya que esto es muy usado en la industria y

minería.

Proponer cambios y mejoras en los módulos educativos existentes.

Conocer el desarrollo SCADA y los tipos de comunicación aplicados

a la industria como Ethernet y RS-232

1.4 Justificación del Estudio

En principio, se analiza detalladamente el control multivariable cascada,

exigencias del tipo de control, también se analiza la instrumentación utilizada en la

planta. Análisis de aspectos de los autómatas programables, con los cuales se pondrá en

marcha el presente trabajo, finalmente se ha de implementar el módulo educativo con el

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cumplimiento de estándares de montaje eléctrico e instrumental y se realizará un

procedimiento de operación estándar específico para este módulo.

1.5 Hipótesis

Se analizará si es posible realizar el diseño y la implementación de un módulo

educativo de control de flujo y nivel y aplicar el control multivariable cascada.

1.6 Alcances

El presente trabajo, llegará a diseñar e implementar un Sistema de Control

Cascada en el modulo educativo diseñado e implementado, junto con el Software de

supervisión para el control del mismo vía Ethernet y SCADA

Montaje de equipos de instrumentación tales como sensórica y actórica

correspondiente al modulo, rotulado de cables, protección de cables, conectores,

terminales, etc.

Desarrollo del control multivariable cascada, sintonización y puesta en marcha

de la planta.

Elaboración de un procedimiento de operación estándar (POE) para el módulo

educativo de tal manera que el operador de la planta ya sea alumno o docente, pueda

manejarlo sin sufrir un shock eléctrico o algún tipo de riesgo eléctrico o que los equipos

puedan malograrse por un mal uso.

El aprovechamiento de las prácticas recaerá en beneficio directo de los alumnos

y docentes que utilizan los laboratorios de control, este se verá reflejado en la mejor

utilización del tiempo de prácticas.

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1.7 Instrumentos de Verificación

Se elaborará un Procedimiento de Operación Estándar (POE) el cual será

revisado por el Coordinador de Laboratorio de Automatización y Control y será

presentado al director del programa para su aprobación.

Posteriormente se pondrá en marcha y sintonizara ambos lazos de control de

manera analítica y práctica mediante el uso del software RSTUNE de Rockwell

Software.

Posteriormente se pondrá en marcha el software de control SCADA para

monitoreo y control de la misma.

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CAPITULO II

MARCO TEORICO

2.1 Introducción A Sistemas De Control Automático

El control automático de procesos es parte del progreso industrial desarrollado

durante lo que ahora se conoce como la segunda revolución industrial. El uso intensivo

de la ciencia de control automático es producto de una evolución que es consecuencia

del uso difundido de las técnicas de medición y control. Su estudio intensivo ha

contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas. 

El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el

costo de los procesos industriales, lo que compensa con creces la inversión en equipo de

control. Además hay muchas ganancias intangibles, como por ejemplo la eliminación de

mano de obra pasiva, la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado.

La eliminación de errores es otra contribución positiva del uso del control automático y

una mejora en la calidad del producto final.

11

El principio del control automático o sea el empleo de una realimentación o

medición para accionar un mecanismo de control, es muy simple. El mismo principio

del control automático se usa en diversos campos, como control de procesos químicos y

del petróleo, control de hornos en la fabricación del acero, control de máquinas,

herramientas y en el control y trayectoria de un proyectil. 

El uso de las computadoras analógicas y digitales ha posibilitado la aplicación

de ideas de control automático a sistemas físicos que hace apenas pocos años eran

imposibles de analizar o controlar. 

2.1.1 Definición De Control Automático

El control automático es el mantenimiento de un valor deseado dentro de una

cantidad o condición, midiendo el valor existente, comparándolo con el valor deseado y

utilizando la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia, el control

automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin intervención

humana. 

El elemento más importante de cualquier sistema de control automático es el

lazo de control realimentado básico. El concepto de la realimentación no es nuevo, el

primer lazo de realimentación fue usado en 1774 por James Watt para el control de la

velocidad de cualquier máquina de vapor. A pesar de conocerse el concepto del

funcionamiento, los lazos se desarrollaron lentamente hasta que los primeros sistemas

de transmisión neumática comenzaron a volverse comunes en los años 1940s, los años

pasados han visto un extenso estudio y desarrollo en la teoría y aplicación de los lazos

realimentados de control. En la actualidad los lazos de control son un elemento esencial

para la manufactura económica y prospera de virtualmente cualquier producto, desde el

acero hasta los productos alimenticios. A pesar de todo, este lazo de control que es tan

importante para la industria está basado en algunos principios fácilmente entendibles y

fáciles.

Básicamente, existen sistemas de control abierto y de control cerrado.

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2.1.2 Control Abierto

Los sistemas de control abierto son aquellos en que la acción del controlador no

se relaciona con el resultado final. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el

controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Un ejemplo simple es el

llenado de un tanque usando una manguera de jardín. Mientras que la llave siga abierta,

el agua fluirá. La altura del agua en el tanque no puede hacer que la llave se cierre.

Sin embargo, cuando usted ve que el tanque está lleno y decide cerrar la llave,

está añadiendo el elemento de retroalimentación al circuito. Pero en este caso es un

circuito cerrado controlado por el hombre.

2.1.3 Control Cerrado

Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado

final para ajustar la acción de control en consecuencia.

Pero, ¿qué le parecería tener que permanecer de pie en una posición fija,

observando cómo se desarrolla el proceso y cómo se operan las válvulas o interruptores

de acuerdo a las condiciones que usted ha establecido? Sería muy cansado, ¿verdad?

Además, los humanos tenemos tendencia a la fatiga, al aburrimiento y a los

errores de cálculo. Los controles manuales funcionan muy bien sólo si la velocidad de

respuesta requerida es muy lenta y el resultado no es crítico o muy importante. Los

sistemas controlados por el hombre pueden tornarse poco confiables.

Hoy en día, se fabrican máquinas para reemplazar a los humanos en la mayoría

de los sistemas de control.

Los elementos básicos de cualquier sistema de control son 4: el elemento

medidor, el elemento controlador, el valor establecido y el elemento corrector.

El elemento medidor proporciona un medio de detección / medida de las

condiciones requeridas. Equivale a la "vista" o el "oído" (u otros sentidos) del sistema.

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El elemento controlador es el sitio donde se toman todas las decisiones sobre

las acciones a tomar. Se lo puede considerar el "cerebro" del sistema. Debe tomar

decisiones basadas en ciertas pautas o valores requeridos. Los valores establecidos son

introducidos en el sistema por el hombre.

El elemento corrector es el lugar donde se realiza la corrección del proceso. Se

puede equiparar a las "manos" o los "pies" del sistema. Se deben ejecutar ciertas

acciones físicas para llevar el proceso de nuevo a los valores establecidos. (1)

2.2 Tipos De Sistemas De Control

2.2.1 Control Proporcional-Integrativo (PI)

Si la función de transferencia del proceso no contiene un integrador (1/s), ello

implicará que exista un error de régimen eSS en la respuesta a escalón del sistema. Este

corrimiento puede ser iluminado si se incluye la acción integrativa. Al aplicar esta

acción, se puede dar el caso de que la señal de control u(t) tenga un valor diferente de

cero cuando el error e(t) es cero.

Para la obtención de este tipo de acción se añade a la parte proporcional el

resultado de integrar la señal de error habiendo afectado a ésta por una cierta constante a

la que se denomina constante de integración.

A continuación se muestra un diagrama de bloques del sistema de control en

lazo cerrado con un controlador PI.

Figura 2.1 Sistema con controlador PI

Fuente: tesis: “diseño e implementación de un sistema de control de flujo usando

plc con conexión scada” UCSM

14

2.2.2 Controlador Proporcional –Integral - Derivativo (PID).

Este controlador incorpora las ventajas que proporcionan cada una de las tres

acciones individuales conocidas en control de procesos (Proporcional, Proporcional

Integrativo y Proporcional Derivativo). A continuación se muestra el diagrama de

bloques del sistema con este tipo de controlador.

Figura 2.2 Sistema con controlador PID

Fuente: tesis: “diseño e implementación de un sistema de control de flujo usando

plc con conexión scada” UCSM

2.2.3 Control de Sistemas Multivariables

El control multivariable consiste en mantener dos o más set point en un valor

deseado. Las estructuras de control que se han analizado en esta sección se caracterizan

por tener una salida (comando de control). El controlador tiene varias variables de

entrada (salida de la planta, señal de control, error con respecto al modelo de referencia

y modelo de referencia), utilizándose además valores retrasados de estas variables y el

posible retardo en la señal de control. Por lo anterior se puede considerar estos

controladores como de múltiples entradas-una salida. Cuando a la planta hay que

aplicar más de una variable de control, entonces el controlador a diseñar será

de múltiples entradas-múltiples salidas. A este tipo de controlador se le denomina

control multivariable.

El control multivariable basado en el modelo inverso y en el modelo directo

pueden considerarse estrategias de modelado de múltiples entradas-múltiples salidas.

Deben seleccionarse las variables de entrada-salida, aplicar los pasos para obtener el

modelo que veremos posteriormente.

2.2.3.1 Control En Cascada:

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El control en cascada es una estructura alternativa al control en avance para

rechazar perturbaciones parcialmente medibles. La idea básica es realimentar variables

intermedias entre el punto donde entra la perturbación y la salida.

Esta estructura tiene dos lazos:

- Un lazo primario con un controlador primario K1(s), y

- Un lazo secundario con un controlador secundario K2(s).

El control secundario se diseña para atenuar el efecto de la perturbación antes de

que alcance a afectar significativamente la salida y(t).

El control en cascada se utiliza principalmente para:

• Eliminar el efecto de perturbaciones en la variable manipulada.

• Mejorar las características dinámicas de lazos de control en procesos que son

secuenciados o compuestos por sub-procesos.

En ambos casos es necesario tener acceso a por lo menos dos variables controladas.

Como características generales para sistemas de control en cascada pueden indicarse las

siguientes:

• El modo de control para el lazo interno debe ser el más simple compatible con las

necesidades del proceso (generalmente proporcional).

• El lazo de control interno (esclavo) se ajusta para lograr una respuesta enérgica en la

variable manipulada, por ejemplo para el control proporcional se deberá utilizar una

elevada ganancia.

• Los retardos de medición del lazo interior provocan una suerte de acción derivativa

para el lazo principal. Por esta consecuencia, los retardos de medición mencionados no

son necesariamente nocivos en este sistema, siempre que los mismos no adquieran

valores muy grandes.

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Figura 2.3 Diagrama De Planta Tipo Control Cascada

Fuente: Elaboración Propia

Para la aplicación del sistema de control multivariable cascada que se va a aplicar en el

módulo educativo de control de flujo y nivel, se propone el siguiente lazo de control.

Figura 2.4 Diagrama Del Lazo De Control En Cascada

Fuente: Elaboración Propia

Básicamente el esquema de control en cascada es un lazo de realimentación

dentro de otro lazo de realimentación, donde el lazo interno debe ser más rápido que el

externo para hacer al sistema lo más insensible posible a las perturbaciones.

2.3 Tipos de sistemas de control en cascada

Hasta ahora se han propuesto dos tipos de esquemas de control en cascada: en

serie y en paralelo. En el módulo educativo el control cascada que se aplica es en serie.

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2.3.1 Serie.

En el siguiente esquema la variable manipulada u tiene un efecto tipo "domino"

sobre la variable a controlar y. El esquema de control se denomina en serie ya que u

afecta a una variable intermedia yi la cual, a su vez, afecta a la variable que se desea

controlar y tal como se muestra en la Figura 2.4.

Figura 2.5 Sistema en Serie: la variable manipulada afecta a una variable

intermedia la cual entonces afecta a la variable a controlar.

Fuente: Elaboración Propia

Cuando se pretende diseñar un controlador multivariable debe considerarse que

el objetivo fundamental es definir las entradas del controlador y adaptar los parámetros

de forma que se consiga que las salidas del sistema sigan los modelos de referencia para

cada salida. Al utilizar el control basado en el modelo indirecto, el problema puede

abordarse como el diseño y solución de un sistema jerárquico.  

2.4 Instrumentación Industrial

2.4.1 Definición De Instrumentación

Instrumentación: es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o

registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste.

En otras palabras, la instrumentación es la ventana a la realidad de lo que está

sucediendo en determinado proceso, lo cual servirá para determinar si el mismo va

encaminado hacia donde deseamos, y de no ser así, podremos usar la instrumentación

para actuar sobre algunos parámetros del sistema y proceder de forma correctiva.

La instrumentación es lo que ha permitido el gran avance tecnológico de la

ciencia actual en casos tales como: los viajes espaciales, la automatización de los

procesos industriales y muchos otros de los aspectos de nuestro mundo moderno; ya que

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la automatización es solo posible a través de elementos que puedan sensar lo que sucede

en el ambiente, para luego tomar una acción de control pre-programada que actué sobre

el sistema para obtener el resultado previsto.

2.4.2 Característica De Los Instrumentos

De acuerdo con las normas SAMA (Scientific Apparatus Makers Association),

PMC20, las características de mayor importancia, para los instrumentos son:

2.4.2.1 Campo De Medida O Rango (Range)

Es el conjunto de valores dentro de los límites superior e inferior de medida, en

los cuales el instrumento es capaz de trabajar en forma confiable. Por ejemplo, un

termómetro de mercurio con rango de 0 a 50 grados Celsius

2.4.2.2 Alcance (Span)

Es la diferencia entre el valor superior e inferior del campo de medida. Para el

caso del termómetro del ejemplo anterior, el SPAN será de 50 grados Celsius.

2.4.2.3 Error

Es la diferencia que existiría entre el valor que el instrumento indique que tenga

la variable de proceso y el valor que realmente tenga esta variable en ese momento.

2.4.2.4 Precisión

Esto es la tolerancia mínima de medida que permitirá indicar, registrar o

controlar el instrumento. En otras palabras, es la mínima división de escala de un

instrumento indicador. Generalmente esta se expresa en porcentaje (%) del SPAN.

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2.4.2.5 Zona Muerta (Dead Band)

Es el máximo campo de variación de la variable en el proceso real, para el cual

el instrumento no registra ninguna variación en su indicación, registro o control.

2.4.2.6 Sensibilidad

Es la relación entre la variación de la lectura del instrumento y el cambio en el

proceso que causa este efecto.

2.4.2.7 Repetibilidad

Es la capacidad de un instrumento de repetir el valor de una medición, de un

mismo valor de la variable real en una única dirección de medición.

2.4.2.8 Histéresis

Similar a la repetibilidad, pero en este caso el proceso de medición se efectuara

en ambas direcciones

2.4.2.9 Campo De Medida Con Supresión De Cero

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por encima

del cero real de la variable.

2.4.2.10 Campo De Medida Con Elevación De Cero

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por debajo de

cero de las variables

2.4.2.11 Clasificación De Los Instrumentos

Existen dos formas de clasificar los instrumentos las cuales son:

a.- De acuerdo a su función en el proceso.

20

b.- De acuerdo a la variable de proceso que miden.

Este modo de clasificarlos no es necesariamente el único, pero se considera

bastante completo.

De acuerdo a su función estos serán:

Instrumentos indicadores: son aquellos que como su nombre bien dice, indican

directamente el valor de la variable de proceso. Ejemplos: manómetros,

termómetros, etc.

Instrumentos ciegos: son los que cumplen una función reguladora en el proceso,

pero no muestran nada directamente. Ejemplos termostatos, presostatos, etc.

Instrumentos registradores: en algunos casos podrá ser necesario un registro

histórico de la variable que se estudia en un determinado proceso. en este caso,

se usaran instrumentos de este tipo.

Elementos primarios: algunos elementos entran en contacto directo con el fluido

o variable de proceso que se desea medir, con el fin de recibir algún efecto de

este (absorben energía del proceso), y por este medio pueden evaluar la variable

en cuestión. (placa orificio)

Transmisores: estos elementos reciben la variable de proceso a través del

elemento primario, y la transmiten a algún lugar remoto. Estos transmiten las

variables de proceso en forma de señales proporcionales a esas variables.

Transductores: son instrumentos fuera de línea (no en contacto con el proceso),

que son capaces de realizar operaciones lógicas y/o matemáticas con señales de

uno o más transmisores.

Convertidores: en ciertos casos, la señal de un transmisor para ser compatible

con lo esperado por el receptor de esa señal, en ese caso se utilizara un elemento

convertidor para lograr la ante mencionada compatibilidad de señal

21

Receptores: son los instrumentos que generalmente son instalados en el panel de

control, como interfase entre el proceso y el hombre. Estos reciben la señal de

los transmisores o de un convertidor.

Controladores: este es uno de los elementos más importante, ya que el

instrumento será el encargado de enviar al controlador (PLC) lo que esta

sucediendo en el proceso, de tal manera que el controlador (PLC) pueda

comparar con lo que realmente se desea que suceda en él, para posteriormente,

diferenciar y enviar una señal al proceso que tienda a corregir las desviaciones.

Elemento final de control: será este elemento quien reciba la señal del

controlador y quien estando en contacto directo con el proceso en línea, ejerza

un cambio en este, de tal forma que se cambien los parámetros hacia el valor

deseado. Ejemplo: válvulas de control, compuertas, etc.

De acuerdo a la variable de proceso que miden: Esta clasificación, como su

nombre lo indica, se referirá a la variable de proceso que tratemos de medir. En

la actualidad, se pueden medir, casi sin excepción, todas las variables de proceso

existentes, sin embargo, algunas se medirán de forma directa y otras

indirectamente.1

2.5 Medidores De Flujo

Los medidores de flujo son instrumentos utilizados para determinar la cantidad

de flujo másico que pasa a través de una tubería. Otros nombres con los cuales suelen

llamarse son: Flujómetro, caudalímetro o medidores de caudal.

Existe una gran cantidad de principios con los cuales operan este tipo de

instrumentos, su selección está en función de la precisión requerida de las lecturas, así

como de su costo y mantenimiento.

En general se clasifican en: diferencial de presión, desplazamiento positivo, por

medición de velocidad y por medición de masa.

1 http://www.sapiensman.com/control_automatico/control_automatico7.htm

22

Los medidores de flujo más comunes son los de diferencial de presión que se

basan en el cambio de presión debido a una reducción en el diámetro de la tubería. A

mayor diferencia de presión mayor es el flujo.2

2.5.1 Tipos De Sensores De Flujo O Caudal

Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido, bien

sea directamente (desplazamiento), bien indirectamente por deducción (presión

diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino).

A. Medidores De Caudal Másico

o Térmico Diferencia de temperaturas en dos sondas de resistencia

o Fuerza de Coriolis Tubo en vibración

B. Tipos de medidores volumétricos

o De presión diferencial

Placa orificio Tobera

Tubo Venturi Tubo Pitot

Tubo Annubar

o De área variable

Rotámetro

o De velocidad

Caudalímetro de Turbina

Caudalímetro ultrasónicas

o De Fuerza

Placa de impacto

o De desplazamiento positivo

Caudalímetro de disco oscilante

Caudalímetro de pistón oscilante

2 http://www.catalogodeproveedores.com/subcat/473/medidores-de-flujo.html

23

Caudalímetro de pistón alternativo

Caudalímetro rotativo

Caudalímetro de paredes deformables.

o De torbellino

Medidor de frecuencia de termistancia, o condensador o

ultrasonidos

o Oscilante

Válvula oscilante

o De tensión inducida

Caudalímetro magnético3

El medio que se desea medir debe ser conductor y estar en estado líquido, fluye

a través de una sección de tubería a una velocidad v, generando un campo magnético

constante B por la acción de dos bobinas solenoidales M. Las dos bobinas M se

encuentran situadas en el exterior de la tubería, en posiciones opuestas. De acuerdo con

la ley de Faraday, se induce una tensión entre los electrodos E1 y E2, que depende del

campo magnético M y del flujo del medio conductor. La tensión es proporcional a la

velocidad de flujo y, por tanto, proporcional al caudal. Un transductor amplifica la señal

del valor medido y la convierte en una señal estándar (por ejemplo, de 4-20 mA). 4

Figura 2.6 método de medición de flujómetro

Fuente http://www.burkert.es/ESN/302.html

Su principio de medida esta basado en la Ley de Faraday, la cual expresa que al

pasar un fluido conductivo a través de un campo magnético, se produce una fuerza

3 http://www.fing.edu.uy/iimpi/academica/grado/instindustrial/teorico/080306-Sensores-parte_I.caudal.pdf4 http://www.burkert.es/ESN/302.html

24

electromagnética (F.E.M.), directamente proporcional a la velocidad del mismo, de

donde se puede deducir también el caudal.

Está formado por un tubo, revestido interiormente con material aislante. Sobre

dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se colocan dos electrodos

metálicos, entre los cuales se genera la señal eléctrica de medida. En la parte externa se

colocan los dispositivos para generar el campo magnético, y todo se recubre de una

protección externa, con diversos grados de seguridad.

El flujo completamente sin obstrucciones es una de las ventajas de este medidor.

El fluido debe ser ligeramente conductor debido a que el medidor opera bajo el

principio de que cuando un conductor en movimiento corta un campo magnético, se

induce un voltaje.

Los componentes principales incluyen un tubo con un material no conductor,

dos bobinas electromagnéticas y dos electrodos, alejados uno del otro, montados a 180°

en la pared del tubo. Los electrodos detectan el voltaje generado en el fluido. Puesto que

le voltaje generado es directamente proporcional a la velocidad del fluido, una mayor

velocidad de flujo genera un voltaje mayor. Su salida es completamente independiente

de la temperatura, viscosidad, gravedad específica o turbulencia. Los tamaños existentes

en el mercado van desde 5 mm hasta varios metros de diámetro.

25

Figura 2.7 partes de flujómetro magnético

Fuente http://www.mecatronica-portal.com/2009/04/361-caudalimetros-

magneticos/

2.5.2 Buenas prácticas en la instalación de flujómetro magnético

Estos equipos cuentan con muchísimas características destacables que hacen de

cada aplicación una base de información, y su correcta instalación le puede ahorrar

muchos dolores de cabeza.

Normalmente, cuando nos llaman por problemas con estos equipos, nos damos

cuenta que se trata de problemas en la instalación, y no en el equipo propiamente tal. El

presente texto tiene por objetivo entregar algunas recomendaciones para su instalación,

de modo de obtener un dispositivo bien instalado, con un buen funcionamiento, lo que

nos garantizara excelentes trabajos futuros.

2.5.3 Conductividad del líquido

Para una correcta aplicación, debemos fijarnos que el líquido sea conductivo.

Como regla general, se puede usar esta tecnología con líquidos desde los 5 uS/cm; sin

embargo, dependiendo de la aplicación y características del equipo, podemos trabajar

con rangos muchísimo menores.

26

Figura 2.8 Evitar los montajes tanto en los puntos más altos del sistema de

tuberías, para evitar las posibles acumulaciones de aire, como en tuberías

verticales con salida libre.

Fuente http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mv?xid=860&edi=47

2.5.4 Montajes en tuberías de gran tamaño

Para velocidades de flujo demasiado bajas, puede ser necesario reducir el

diámetro del tubo magnético para obtener velocidades más altas.

Figura 2.9 montaje en tubería de gran tamaño

Fuente http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mv?xid=860&edi=47

Estas son sólo algunas de las recomendaciones a seguir para poder instalar de la

mejor manera su medidor de flujo magnético. Existen otras características que pueden

ayudar a un buen desempeño de nuestro equipo, como por ejemplo:

• Separar las líneas de fuerza de las señales.

• Verificar la compatibilidad de los elementos internos del tubo con el fluido de proceso.

• Revisar que la temperatura de proceso sea compatible con los materiales del

flujómetro.

27

• Usar los flanges adecuados en relación a la presión de proceso.

• Sellar la caja de conexión de tubo magnético cuando sea necesaria un grado IP68.

• Evitar las vibraciones excesivas.

• Considerar las pérdidas de cargas si se hacen reducciones respecto al diámetro de

línea.

• Instalar el tubo según su dirección de flujo indicado en el mismo.

• Evite los campos magnéticos grandes en la cercanía del flujómetro.

2.5.5 Conexión a tierra

La puesta a tierra del transductor es importante, no sólo por motivos de

seguridad, sino también para garantizar que el caudalímetro electromagnético funcione

correctamente. Los tornillos de puesta a tierra del transductor deben ser ajustados al

potencial del conductor protector. Por motivos de técnica de medición, éste debería ser

idéntico al potencial del fluido.

Si se utilizan tuberías de plástico o tuberías con recubrimiento aislante, la toma a

tierra se realiza mediante un anillo o electrodo de puesta a tierra. Si el tramo de tubería

no está libre de tensiones parásitas, se recomienda que delante y detrás del transductor

se instale un anillo de puesta a tierra.

En aparatos con revestimiento de ebonita se incorpora un elemento conductor (a

partir de diámetros nominales de DN 100). Éste asegura que el fluido queda conectado a

tierra.

2.5.6 Montaje

En el montaje deben observarse los siguientes puntos:

• El tubo medidor siempre tiene que estar completamente lleno.

• La dirección de flujo tiene que corresponder a la marca (si existe).

• Al montar los tornillos de la brida, hay que observar el par máximo de apriete. Estos

deberán elegirse a partir de los siguientes factores, entre otros: temperatura,

presión, material de los tornillos y de las juntas y de conformidad con las

normativas vigentes pertinentes.

28

• Al instalar los aparatos, evitar tensiones mecánicas (torsión, flexión).

• Los aparatos abridados con contrabridas plano paralelas se pueden instalar solamente

si se utilizan las juntas apropiadas correspondientes.

• Como junta de brida sólo deben utilizarse juntas que estén fabricadas de un material

resistente al fluido y a la temperatura del fluido.

• Las juntas no deben penetrar en la zona de flujo, porque se pueden producir

turbulencias que afectan la precisión del aparato.

• La tubería no debe ejercer ninguna fuerza ó par de torsión sobre el aparato.

• Los tapones de los pasacables no deben desmontarse antes de que se monten los cables

eléctricos.

• El convertidor de medición independiente debe instalarse en un lugar libre de

vibraciones.

• No exponer el convertidor de medición directamente a los rayos del sol; instalar un

dispositivo de protección contra rayos solares, si es necesario.

2.5.7 Eje del electrodo

Montar el eje del electrodo (1) en posición horizontal o girado en 45°, como máximo.

Figura 2.10 Angulo de montaje de flujómetro

Fuente:

http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/64749de215b90ff8c125

759800312800/$File/DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

29

2.5.8 Secciones de las tuberías de entrada y salida Tramo de entrada, recto

Tramo de salida, recto

Tabla 2.1 Tabla De Diámetros De Ingreso Y Salida De Un Flujómetro A Tubería

Recta

Fuente: Elaboración Propia

• Los accesorios, codos, válvulas, etc. no deben instalarse directamente delante del

primario (figura 2.11 parte 1).

• Las válvulas de mariposa deben instalarse de tal forma que el disco de la misma no

penetre en el transmisor

• Las válvulas y otros órganos de desconexión deberían instalarse en el tramo de salida

(figura 2.11 parte 2).

• Observar la longitud de los tramos de entrada y salida, para garantizar la precisión de

medición.

Figura 2.11 diámetros de montaje

Fuente:

http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/64749de215b90ff8c125

759800312800/$File/DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

2.5.9 Conductos verticales

• Instalación vertical para medir sustancias abrasivas, flujo preferentemente desde abajo

hacia arriba.

30

Figura 2.12 montaje vertical

Fuente:

http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/64749de215b90ff8c125

759800312800/$File/DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

2.5.10 Conductos horizontales

La tubería debe estar completamente lleno en todo momento.

Una ligera pendiente en la tubería ayuda a eliminar los gases.

Figura 2.13 montaje ángulo de inclinación

Fuente:

http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/64749de215b90ff8c125

759800312800/$File/DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

Figura 2.14 El tubo debe estar siempre completamente lleno de líquido.

http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mv?xid=860&edi=47

31

2.5.11 Entrada/salida libre

En caso de salida libre, no instalar el medidor en el punto más alto o en el lado

de salida de la tubería; el medidor se descargará y se pueden formar burbujas de aire

(figura 2.15 parte 1).

En caso de entrada o salida libre, instalar un sifón, para que la tubería esté

completamente llena en todo momento (figura 2.15 parte 2).

Figura 2.15 montaje entrada salida libre

Fuente:

http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/64749de215b90ff8c125

759800312800/$File/DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

2.5.12 Fluidos muy sucios

Para medir fluidos muy sucios se recomienda que se instale una tubería de

derivación (como se muestra en la figura), de modo que durante la limpieza mecánica

no sea necesario interrumpir el funcionamiento del equipo.

Figura 2.16 montaje para cambio de flujómetro para flujos muy sucios

Fuente:

http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/64749de215b90ff8c125

759800312800/$File/DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

32

2.5.13 Montaje cerca de bombas

En detectores que estén instalados en la proximidad de bombas u otros

componentes que generen vibraciones, se recomienda la instalación de amortiguadores

mecánicos de vibraciones.5

Figura 2.17 Montaje cerca de bombas

Fuente:

http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/64749de215b90ff8c125

759800312800/$File/DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

2.5.14 Instalación del modelo para altas temperaturas

El modelo para altas temperaturas permite un aislamiento térmico completo del

elemento de sensor. Después del montaje del aparato se debe efectuar el aislamiento de

la tubería y del sensor. Para ello, hay que proceder como se muestra en la siguiente

figura.6

Figura 2.18 Instalación para altas temperaturas

Fuente:

http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/64749de215b90ff8c125

759800312800/$File/DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

5 http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mv?xid=860&edi=476 http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/64749de215b90ff8c125759800312800/$File /DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

33

2.6 Medidores De Nivel

Figura 2.19 Medidor De Nivel Método De Diferencial Depresión

Fuente: manual de sensor

2.6.1 Método de presión diferencial

Las tomas de presión diferencial; se hacen, una en la parte inferior, otra en la

parte superior, siempre y cuando se trate de tanques cerrados sometidos a presión,

cuando es para tanques abiertos la toma de baja presión se ventea a la atmósfera

El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con el

líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque.

En un tanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a

su peso específico, es decir: gHP en la que:

P = Presión

H = altura de líquido sobre el instrumento

γ = densidad del líquido (H2O, o similar densidad)

g = 9,8 m/s2

Cabe resaltar que para el modulo educativo, el liquido utilizado para el control

debe ser agua (H2O) o un liquido con su misma densidad.

El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de

presión diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma.

En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en una brida que se monta

rasante al tanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como

34

pasta de papel y líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo incluso ser de montaje

saliente para que el diafragma enrase completamente con las paredes interiores del

tanque tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos en que no puede

admitirse ningún recodo.

Hay que señalar que el nivel cero del líquido se selecciona en un eje a la altura

del diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque, el 0 % del aparato debe

comprobarse con el nivel más bajo en el borde inferior del diafragma (entre el borde

inferior y el superior del diafragma la señal de salida no ésta en proporción directa al

nivel).

Otro tipo es el manómetro diferencial, y que en su funcionamiento equivale al

transmisor de diafragma.

En el caso de que el tanque esté cerrado y bajo presión, hay que corregir la

indicación del aparato para la presión ejercida sobre el líquido debiendo señalar que la

lectura será muy poco precisa, si la presión es grande.

Se suele conectar un tubo en la parte superior del tanque y medir la diferencia de

presiones entre la toma inferior y superior, utilizando transmisores de presión

diferencial de diafragma.

Cuando los gases o vapores encima del líquido son condensables, la línea desde

la toma superior se llena gradualmente con el condensado hasta llenar todo el tubo, en

cuyo caso la tubería a la derecha del transmisor, tendrá mayor presión que la tubería

izquierda, y por lo tanto, habrá que cambiar las conexiones del instrumento ya que éste

indicará bajo cuando el nivel sea alto y viceversa:

En efecto, puede verse que:

)( hHP para h = 0 p = H

De este modo, el instrumento tendrá que estar graduado a la inversa, es decir,

indicar 0 % a 3 psi y 100 % a 15 psi en un transmisor neumático, o bien señalar 0 % a 4

35

mA y 100 % a 20 mA en un transductor de señal de salida 4-20 miliamperios en

corriente continua.

Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de supresión que

está aplicado a la barra de equilibrio de fuerzas del transmisor y que produce una fuerza

igual a la diferencia entre el nivel máximo y el mínimo. Como es natural, puede

ajustarse la tensión del muelle para cada caso particular.

Algunos fluidos presentan el riesgo de depósito de cristales o de sólidos en la

superficie del diafragma. En tal caso cabe la solución de emplear un diafragma

recubierto de teflón para reducir el depósito gradual del producto.

No obstante, como el movimiento del diafragma es muy pequeño y se considera

el sólido algo flexible, continúa aplicándose la presión del fluido a todo el diafragma;

sin embargo, si parte del diafragma queda rígido, el instrumento marcará de forma

errática o permanente menos nivel del real.

Este inconveniente se resuelve empleando un transmisor de presión diferencial

con membranas de sello que responde a la presión transmitida es lugar de la fuerza

creada por el líquido sobre la membrana.

En tanques cerrados y a presión con líquido de vapor condensable existe el

riesgo de obturación de la línea de compensación, en particular si el fluido no es limpio.

Si el tanque es elevado y el medidor se sitúa a un nivel muy inferior, la columna

de liquido que va desde el nivel mínimo al medidor, es mucho mayor que la propia

variación de nivel, por lo cual, la apreciación del mismo se hace sobre una parte muy

pequeña, de la escala.

Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de elevación que

en forma similar al de supresión está ampliado a la barra de equilibrio de fuerzas del

transmisor y produce una fuerza que se ajusta igual a la de la columna de líquido citada.

El medidor de presión diferencial puede emplearse también en la medida de

interfases. La amplitud de la medida vendrá dada por la diferencia de presiones sobre el

36

diafragma del elemento, primero con el tanque lleno del líquido más denso y después

con el líquido menos denso.

La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de ± 0,5 % en los

neumáticos, ± 0,2 % a ± 0,3 % en los electrónicos, y de ± 0,15 % en los <inteligentes>

con señal de salida de 4 – 20 mA c.c. y de ± 0,1 % en los que se emplean en tanques

abiertos y cerrados a presión y a vacío, no tienen partes móviles dentro del tanque, son

de fácil limpieza, son precisos y confiables, admiten temperaturas del fluido hasta 120º

C y no son influidos por las fluctuaciones de presión.

Sin embargo, en tanques cerrados presentan el inconveniente de la posible

condensación de los vapores del tanque en el tubo de conexión al instrumento; este

inconveniente se elimina fácilmente con el resorte de supresión descrito.

Hay que señalar que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir

la corrosión del fluido (existen materiales de acero inoxidable 316, monel, tantalio,

hastelloy B, inoxidable recubierto de teflón).7

2.6.2 Otros Tipos De Medición De Nivel

Método de Columna de Vidrio .

Los Flotadores en la Medición de Nivel.

Método del Tubo Burbuja.

Nivel de Líquidos en Tanques Cerrados.

Método Radioactivo.

Medición de Nivel con Ultrasonido.

7 http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/teoria/nivel/diferen.htm

37

2.7 Válvula De Control

La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en

un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un orificio cuya

sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una

forma determinada.

2.7.1 Partes de la válvula de control.

Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o

actuador y el cuerpo.

Actuador: el actuador también llamado accionador o motor, puede ser

neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por

ser las más sencillas y de rápida actuaciones. Aproximadamente el 90% de las

válvulas utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente.

Cuerpo de la válvula: este esta provisto de un obturador o tapón, los asientos

del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede

hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón

es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y

puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular.

Esta unido por medio de un vástago al actuador.

2.7.2 Categorías de válvulas.

Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por

tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado

innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado

nuevos materiales.

- Válvulas de compuerta. - Válvulas de desahogo (alivio)

- Válvulas de macho - Válvula de retención de mariposa

- Válvulas de globo - Válvula de retención de mariposa

38

- Válvulas de bola - Válvula de retención de mariposa

- Válvulas de mariposa - Válvula de retención de mariposa

- Válvulas de diafragma - Válvulas de apriete

- Válvulas de retención (check). - Válvulas de retención del columpio.

- Válvulas de retención de elevación

- Válvulas de retención (check) y de desahogo (alivio) 8

Figura 2.20 válvula de control tipo esférica o globo con accionamiento eléctrico

Fuente www.kobold.com

2.8 Electro Bomba tipo centrifuga

Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la

energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y

potencial requeridas. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes

para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el

exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su

forma lo conduce hacia las tubuladuras de salida o hacia el siguiente rodete (siguiente

etapa).

Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la

periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por

unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en

una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de

líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pascales, Pa, metros de

columna de agua m.c.a. o o pie-lb/lb de líquido) es la misma para cualquier líquido sin

8 http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml

39

que importe su densidad. Tradicionalmente la presión proporcionada por la bomba en

metros de columna de agua o pie-lb/lb se expresa en metros o en pies y por ello que se

denomina genéricamente como "altura", y aun más, porque las primeras bombas se

dedicaban a subir agua de los pozos desde una cierta profundidad (o altura).

Las bombas centrífugas tienen un uso muy extendido en la industria ya que son

adecuadas casi para cualquier uso. Las más comunes son las que están construidas bajo

normativa DIN 24255 (en formas e hidráulica) con un único rodete, que abarcan

capacidades hasta los 500 m³/h y alturas manométricas hasta los 100 metros con

motores eléctricos de velocidad normalizada. Estas bombas se suelen montar

horizontales, pero también pueden estar verticales y para alcanzar mayores alturas se

fabrican disponiendo varios rodetes sucesivos en un mismo cuerpo de bomba.9

1a Carcasa,

1b Cuerpo De Bomba,

2 Rodete,

3 Tapa De Impulsión,

4 Cierre Del Eje,

5 Soporte De Cojinetes,

6 Eje.

Figura 2.21 Corte esquemático de una bomba centrífuga.

Fuente http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_centr%C3%ADfuga

9 http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_centr%C3%ADfuga

40

2.8.1 Principios De Funcionamiento

Figura 2.22 Bomba periférica

Fuente http://www.easy.com.ar/easyvirtual/jardin/820828_M.jpg

Las bombas centrífugas mueven un cierto volumen de líquido entre dos niveles;

son pues, máquinas hidráulicas que transforman un trabajo mecánico en otro de tipo

hidráulico.

Los elementos constructivos de que constan son:

a) Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración.

b) El impulsor o rodete, formado por una serie de alabes de diversas formas que giran

dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte

móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el

centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de

dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo

axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleración y absorbiendo un trabajo.

Los alabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de

rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, de

forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presión

en el impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la

reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación; en la voluta se

transforma parte de la energía dinámica adquirida en el rodete, en energía de presión,

siendo lanzados los filetes líquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados

por la tubería de impulsión.

41

La carcasa, (voluta), está dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la

separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior; la separación va

aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de

impulsión; en algunas bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de alabes que

guía el líquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta.

c) Una tubería de impulsión.- La finalidad de la voluta es la de recoger el líquido a gran

velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de

impulsión de la bomba.

La voluta es también un transformador de energía, ya que disminuye la

velocidad (transforma parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de

presión), aumentando la presión del líquido a medida que el espacio entre el rodete y la

carcasa aumenta.

Este es, en general, el funcionamiento de una bomba centrífuga aunque existen

distintos tipos y variantes.

La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la de las turbinas

hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las turbinas se aprovecha la

altura de un salto hidráulico para generar una velocidad de rotación en la rueda,

mientras que en las bombas centrífugas la velocidad comunicada por el rodete al líquido

se transforma, en parte, en presión, lográndose así su desplazamiento y posterior

elevación

Las bombas centrífugas, debido a sus características, son las bombas que más se

aplican en la industria.10

2.8.2 Características De Construcción y especificaciones técnicas

Marca asaki europetec Modelo acm158 1HP

Hmax: 32mts Qmax: 110lt/min

10 http://html.rincondelvago.com/bombas.html

42

Suct. max: 9mts Rpm: 3450

Hz: 60 Volt: 220vac

Fases: 2 monofasica Pot: 0.75kw

Hp: 1 I.C.I: B

2.8.3 Instalación

Las electros bombas pueden montarse solo y únicamente con el eje motor en posición

horizontal.

2.9 Controladores Lógicos Programables

Un PLC (Programable Logic Controller - Controlador Lógico Programable) Es

un dispositivo de estado sólido, diseñado para controlar secuencialmente procesos en

tiempo real en un ámbito industrial.

Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es

necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc. Por tanto, su aplicación

abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones

industriales, control de instalaciones, etc.

De acuerdo con la definición de la "Nema" (National Electrical Manufacturers

Association) un controlador programable es: "Un aparato electrónico operado

digitalmente, que usa una memoria programable para el almacenamiento interno de

instrucciones para implementar funciones específicas, tales como lógica, secuenciación,

registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritméticas para controlar, a través

de módulos de entrada/salida digitales (ON/OFF) o analógicos (1-5 VDC, 4-20 mA,

etc.), varios tipos de máquinas o procesos.

Figura 2.23 Secuencia de operaciones de un PLC

Fuente: http://www.geocities.com/ingenieria_control/control1.htm

43

Figura 2.24 Empleo De Un PLC En Un Control De Procesos.

Fuente: http://www.geocities.com/ingenieria_control/control1.htm

 

Figura 2.25  Estructura de un Controlador Lógico Programable

Fuente: http://www.geocities.com/ingenieria_control/control1.htm

Para explicar el funcionamiento del PLC, se pueden distinguir las siguientes partes:

Interfaces de entradas y salidas

CPU (Unidad Central de Proceso)

Memoria

Dispositivos de Programación

El usuario ingresa el programa a través del dispositivo adecuado (un cargador de

programa o PC) y éste es almacenado en la memoria de la CPU.

La CPU, que es el "cerebro" del PLC, procesa la información que recibe del

exterior a través de la interfaz de entrada y de acuerdo con el programa, activa una

salida a través de la correspondiente interfaz de salida.

44

Evidentemente, las interfaces de entrada y salida se encargan de adaptar las

señales internas a niveles del la CPU. Por ejemplo, cuando la CPU ordena la activación

de una salida, la interfaz adapta la señal y acciona un componente (transistor, relé, etc.)

Pero, Cómo funciona la CPU?

Al comenzar el ciclo, la CPU lee el estado de las entradas. A continuación

ejecuta la aplicación empleando el último estado leído. Una vez completado el

programa, la CPU ejecuta tareas internas de diagnóstico y comunicación. Al final del

ciclo se actualizan las salidas. El tiempo de ciclo depende del tamaño del programa, del

número de E/S y de la cantidad de comunicación requerida.

Figura 2.26 Leer entradas Ejecutar programa

Fuente

http://www.ab.com/en/epub/catalogs/2051089/6270353/6647241/5965368/5966130/

2.9.1 Ciclo PLC

 Las ventajas en el uso del PLC comparado con sistemas basados en relé o

sistemas electromecánicos son:

Flexibilidad: Posibilidad de reemplazar la lógica cableada de un tablero o de un

circuito impreso de un sistema electrónico, mediante un programa que corre en

un PLC.

Tiempo: Ahorro de tiempo de trabajo en las conexiones a realizar, en la puesta

en marcha y en el ajuste del sistema.

Cambios: Facilidad para realizar cambios durante la operación del sistema.

Confiabilidad

Espacio

45

Modularidad

Estandarización 11

2.9.2 Clasificación PLC según fabricantes: Allen Bradley

2.9.2.1 PLC Tipo Nano

2.9.2.2 PLC Tipo Compacto

Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y módulos de I/O

en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos

(alrededor de 500 I/O), su tamaño es superior a los Nano PLC y soportan una gran variedad

de módulos especiales, tales como:

Entradas y salidas análogas

Módulos contadores rápidos

Módulos de comunicaciones

Interfaces de operador

Expansiones de I/O

Se cita la clasificación de este fabricante ya que en el modulo se utiliza un PLC

Micrologix 1200 series B. Los PLC fabricados por Allen Bradley utilizan el programa

Rockwell software el cual contiene una serie de programas para su configuración, su

software para comunicaciones el RSLinx, que es el que se encarga de regular las

comunicaciones entre los diferentes dispositivos utilizando el Microsoft NT de Windows.

Proporciona el acceso a otros dispositivos hechos por Allen-Bradley. Para la programación

se acuerdo ala gama de PLC se utiliza el RSLogix y para sistemas de supervisión utiliza el

RSView32.

11 http://www.industria.uda.cl/Academicos/AlexanderBorger/Docts%20Docencia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/trabajos%202002/PLC/plc.htm

46

Figura 2.27 PLC micrologix 1200

Fuente http://www.ab.com/en/epub/catalogs/2051089/6270353/6647241/5965368/5966130/

Debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones, en su

capacidad, en su aspecto físico y otros, es que es posible clasificar los distintos tipos en

varias categorías.

2.9.2.3 PLC Tipo Modular

Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el

controlador final, estos son:

- Rack - Fuente de Alimentación

- CPU - Módulos de I/O

De estos tipos existen desde los denominados Micro PLC que soportan gran

cantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de

I/O.

2.9.2.4 Características De Los Módulos En Plc’s

Existe gran cantidad de funciones especiales que no son soportadas por los módulos

normales en los PLC, para estas situaciones los fabricantes ofrecen una gran variedad de

elementos adicionales que permiten incorporar funciones especiales al PLC para nuestros

procesos.

47

2.9.2.5 Módulos De I/O Analógicos

Estos módulos permiten manejar entradas y salidas análogas en nuestro PLC de

manera de poder efectuar lecturas y control analógico de variables en nuestros procesos,

estas entradas y salidas analógicas se caracterizan, generalmente por:

Resolución: Depende de la cantidad de bits del conversor utilizado,

generalmente se requiere una resolución no inferior a 10 bits.

Tiempo de Conversión: Corresponde al tiempo empleado en convertir

el valor analógico en su correspondiente valor discreto. Este es un factor muy

importante ya que define el tipo de aplicación para el cual puede emplearse el

modulo. Generalmente en control de procesos, la velocidad de variación de las

variables es relativamente lenta, sobre 1 segundo, por lo cual las exigencias

de velocidad en los módulos analógicos no son muy exigentes.

Generalmente razones de conversión del orden de los milisegundos es suficiente.

Número de Canales: Corresponde a la cantidad de entradas o salidas

que puede manejar el módulo, generalmente están agrupadas en 4 o más I/O.

También existen agrupaciones de entradas y salidas agrupadas en un solo módulo.

Tipo de Entrada: Corresponde al tipo de entrada que es posible

manejar el módulo, estas pueden ser de Entrada o Salida en Corriente, 4-20 mA, 0-20

mA, en tensión, 0-10v, -10 ->+10 v, por termocupla, pt100, etc.

Los primeros módulos analógicos que se incorporaron a los PLC solo podían

manejar un determinada tipo de entrada, sin embargo hoy en día es posible encontrar

módulos de propósitos generales configurables por Software que permiten combinar

distintos tipos de entrada o de salida.

48

2.9.2.6 El Direccionamiento De Entradas Y Salidas

Como existen gran cantidad de I/O y estas pueden estar alojadas en diferentes

módulos, nace la necesidad de indicarle a la CPU, mediante nuestro programa, la

referencia exacta de la entrada o salida con la que queremos interactuar. Al mecanismo de

identificación de I/O en los PLC se le denomina direccionamiento de entradas y salidas.

El direccionamiento de I/O varia de marca en marca, inclusive de modelo en

modelo en los PLC, pero generalmente, la mayoría de los fabricantes adopta una

terminología que tiene relación con la ubicación física de la I/O. Existiendo:

Direccionamiento PLC Nano Telemecanique

Direccionamiento PLC TSX-37 Telemecanique

Direccionamiento PLC Mitsubishi

Direccionamiento PLC A/B SLC-500, Micrologix, Compac Loigx

2.9.2.7 Módulos De Interfase De Comunicación Y Redes

El PLC, al ser un elemento destinado a la Automatización y Control y

teniendo como objetivos principales el aumento de la Productividad o Cadencia y la

disminución de los Tiempos Ciclos, no puede o mejor dicho no es un simple ejecutor de

datos almacenados en su memoria para trasmitir directivas a sus dispositivos que controla.

Es decir, debe ser un elemento que en cualquier momento sea capaz de cambiar la

tarea que realiza con simples cambios en su programación, ésta tarea sería imposible sin la

ayuda de otros dispositivos tales como la PC, programadoras o paneles de control,

dispositivos de campo, etc.

Por lo tanto necesitamos comunicar al PLC. Estos conceptos no son otros en los que

se basa la fabricación flexible, y una comunicación eficiente depende esencialmente de la

red en la que se encuentra trabajando el PLC. No solamente el PLC sino también los

computadores industriales, unidades de programación, etc., que una vez conectados

todos a la red, desde cualquier punto es posible acceder a cada uno de los componentes,

49

como también para el monitoreo de los sensores y actuadores que se puedan conectar a las

redes.

Una de las alternativas para esto, es la incorporación de módulos de

comunicaciones individuales para comunicación punto a punto, multipunto o para la

integración a una Red de Computadores.

Las principales 3 interfaces para trabajar en equipo o red son:

El P.P.I. (Interfase Punto por Punto)

El M.P.I. (Interfase Multi punto)

El Profibus-DP

Existen además a nivel industrial otras redes tales como la Profibus-FMS, Industrial

Ethernet, etc.

A) Interfase Punto Por Punto (P.P.I)

Esta interfase permite la comunicación de nuestro dispositivo con otros tales como

módems, scanner, impresoras, etc., situados a una cierta distancia del PLC. En la parte

frontal del módulo de la CPU posee conectores DB 9 o DB 25 para la comunicación serial

vía RS 232 y RS 485.

La conexión Punto a Punto puede ser establecida económicamente y convenientemente

por medio del procesador de comunicaciones CP 340. Hay varios protocolos disponibles por

debajo de las tres interfaces de conexión:

20 mA (TTY).

RS 232 C/V.24

RS 422 / RS485

Los siguientes dispositivos pueden ser conectados:

Controladores programables

Impresoras

Robots controladores

Módems

Scanner, lectores de códigos de barras, etc.

50

B) Interfase Multipunto (M.P.I)

Se distinguen dos tipos:

RS-422

RS-485

La RS-422 es una interfaz multipunto que puede soportar hasta 32

estaciones con una velocidad de transferencia de 1 Mbps, hasta una distancia de

aproximadamente de 1 kilómetro en 2 o 4 hilos (half-duplex, full-duplex).

La RS-485 es una mejora de la RS-422 en una versión Half-duplex (2 hilos) que

tiene una mejor performance en sus características eléctricas.

Los componentes comprobadores de campo son usados para configurar la

comunicación de interfase multipunto: cables LAN, conectores LAN y repetidores

RS485, desde el PROFIBUS y la línea de productos de entradas/salidas distribuidas.

Estos componentes permiten una óptima utilización de la configuración.

Y muchas otras comunicaciones varían de acuerdo al fabricante pero que tratan de

mantener los protocolos estándares para poder tener una interoperabilidad con el exterior.

C) Según Protocolos A Medida

Son protocolos que se utilizan en comunicaciones entre PLC y dispositivos de

empleo general.

Las instrucciones de E/S para puertos de comunicaciones se pueden utilizar para

transferencia sencilla de datos, como por ejemplo puede ser la entrada de datos a un lector

de código de barras o salida de datos a una impresora.

51

Estos protocolos solo se utilizan para el puerto RS-232C integrado en la

CPU.12

2.10 Variador De Velocidad

El Variador de Velocidad es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de

dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar

la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido

como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés

Adjustable-Speed Drive). De igual manera, en ocasiones es denominado mediante el

anglicismo Drive, costumbre que se considera inadecuada.

Figura 2.28 Variador De Velocidad

Fuente: Manual variador

2.10.1 Variador de velocidad electrónico

La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores

eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante,

los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y

con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor,

los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los

motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de

velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones

12 http://www.geocities.com/ingenieria_control/control3.htm

52

industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo,

bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.

Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor

eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La

combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que

permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también

puede ser designado como variador de velocidad.

1 Motivos para emplear variadores de velocidad.

o 1.1 velocidad como una forma de controlar un proceso

o 1.2 Fomentar el ahorro de energía mediante el uso de variadores de

velocidad

2 Tipos de variadores de velocidad

o 2.1 Variadores mecánicos

o 2.2 Variadores hidráulicos

o 2.3 Variadores eléctrico-electrónicos

3 Variadores de velocidad eléctrico-electrónicos

o 3.1 Variadores para motores de CC

o 3.2 Variadores por corrientes de Eddy

o 3.3 Variadores de deslizamiento

o 3.4 Variadores para motores de CA

2.10.2 Tipos de variadores de velocidad

En términos generales, puede decirse que existen tres tipos básicos de variadores

de velocidad: mecánicos, hidráulicos y eléctrico-electrónicos. Dentro de cada tipo

pueden encontrarse más subtipos, que se detallarán a continuación. Cabe aclarar que los

variadores más antiguos fueron los mecánicos, que se emplearon originalmente para

controlar la velocidad de las ruedas hidráulicas de molinos, así como la velocidad de las

máquinas de vapores.

53

Los variadores de velocidad mecánicos e hidráulicos generalmente son

conocidos como transmisiones cuando se emplean en vehículos, equipo agroindustrial o

algunos otros tipos de maquinaria.

o Variadores eléctrico-electrónicos

Existen cuatro categorías de variadores de velocidad eléctrico-electrónicos (véase el

resto del artículo):

variadores para motores de CC

variadores de velocidad por corrientes de Eddy

variadores de deslizamiento

variadores para motores de CA conocidos como variadores de frecuencia. 13

o Variadores de velocidad eléctrico-electrónicos

o Variadores para motores de CC

o Variadores por corrientes de Eddy

o Variadores de deslizamiento

o Variadores para motores de CA

o Variadores mecánicos

o Variadores hidráulicos

13 http://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_velocidad

54

CAPÍTULO III

Desarrollo Del Módulo Educativo De Control De Flujo Y Nivel

3.1 Diagrama de bloques

El tipo de control que se quiere aplicar es el control multivariable cascada, para

esto observamos que en la planta se pueden aplicar dos controles PID independientes,

uno que es el del control del flujo (Set Point) teniendo al flujómetro como variable del

proceso y la válvula de control como la variable controlada y el control del nivel del

tanque (Set Point) teniendo al sensor de presión como variable del proceso y a la bomba

de agua controlada por medio de un variador de velocidad como variable controlada.

Para esta aplicación del control multivariable cascada se aplicará el únicamente

un Set Point el cual será el flujo de salida. Ya que el nivel del tanque es sólo

almacenamiento no importará el nivel en el que se encuentre, siempre y cuando no

exceda los límites superior e inferior de trabajo.

Para lograr este control multivariable cascada se realizó el lazo de control que

muestra la figura 3.1.

55

Figura 3.1 Lazo de Control Cascada del Flujo

Fuente: Elaboración Propia

Como muestra la figura 3.1, el Set Point (flujo) ingresará a un control

Proporcional Integrativo cuya salida controlará el ángulo de apertura de la válvula de

control (Flow Valve), esta misma salida será el Set Point de un control Proporcional

Integrativo Derivativo cuya salida controlará la velocidad con la cual la bomba de agua

llenará el tanque de almacenamiento (tanque 1), el lazo de control PID se cerrará por

medio del sensor de presión que en este módulo estará midiendo el nivel en el que se

encuentra el tanque 1 y el lazo de control PI se cerrará por medio de un flujómetro.

Donde, para mostrar la función matemática del sistema, denominaremos a los

controladores, sensores y actuadores de la siguiente manera:

GCM: Control PI (Control Maestro)

GP1: Flow Valve (Proceso 1)

GCS: Control PID (Control Esclavo o Slave)

GP2: Variador de Velocidad + Tanque 1 (Proceso 2)

H1: Sensor de Presión (Medición 1)

H2: Sensor de Flujo (Medición 2)

R: Set Point

C: Control

G2: Lazo de Control Secundario

Primero se analiza el lazo de control secundario, obteniendo la siguiente fórmula

matemática:

56

Una vez analizado entonces este lazo de control secundario (G2), se procede a

obtener la fórmula matemática general del lazo de control CASCADA:

3.2 Proceso de diseño

Este módulo educativo fue implementado en base a un módulo de control de

nivel que se encontraba en el laboratorio de Automatización y Control de la Universidad

Católica Santa María.

Para el proceso de diseño se observó que se tenían los equipos necesarios para el

control del nivel del tanque (PID), así que se añadió un flujómetro y una válvula de

control para el lazo de control PI y de este modo realizar el control cascada entre estos

dos lazos.

3.2.1 Tanques

Como se mencionó antes, este módulo educativo fue implementado en

base a un módulo ya existente, en el cual ya se encontraban los dos tanques que se

van a utilizar (tanque de almacenamiento y tanque de reserva).

El tanque de almacenamiento el cual será identificado como “tanque 1” es

en el cual se controlará el nivel deseado por el lazo de control. El tanque de reserva

el cual será identificado como “tanque 2” es en el cual desfogará el líquido a un

flujo deseado y servirá también para alimentar al tanque 1 por medio de la bomba de

agua y el variador de velocidad.

En este diseño ya se tenían las medidas de los dos tanques pero se dio la

medida de separación entre ellos, estas medidas son indicadas en la figura 3.2 (las

medidas son dadas en centímetros).

57

Figura 3.2 Medidas de los Tanques

Fuente: Elaboración Propia

3.2.2 Sensores

Para el diseño de este módulo se requieren dos sensores, un sensor de

presión el cual indicará el nivel del tanque 1 y un flujómetro el cual indicará el flujo

de salida del tanque 1.

El sensor de presión marca Danfoss modelo MBS300 con una

sensibilidad de 0BAR a 1 BAR se encuentra ya instalado en el módulo como

muestra la figura 3.3 y envía una señal de 4mA a 20mA según el nivel del tanque 1.

Figura 3.3 Sensor de Presión Danfoss

Fuente: Fotogragía

El flujómetro fue instalado en el módulo respetando las distancias

mínimas a la entrada y a la salida. Se instaló un flujómetro de marca Kobold modelo

58

L443 de 1’’ que tiene una sensibilidad de 2litros/minuto a 50 litros/minuto y envía

una señal de 4mA a 20mA.

3.2.3 Actuadores

Para el diseño de este módulo se requiere de dos actuadores, un variador

de velocidad para una bomba monofásica de 220VAC y una válvula de control de

1’’ para el control de la salida de flujo.

El variador de velocidad (VSD) pertenece al programa de Ingeniería

Electrónica de la Universidad Católica Santa María. Es un variador de marca Delta

modelo VFD015L23A con alimentación de 220VAC trifásico a 60Hz que se

controla con señales de voltaje entre 0VDC y 10VDC y puede controlar tanto

motores trifásicos como motores monofásicos.

La válvula de control fue instalada en el módulo respetando la distancia

mínima que debe haber entre ésta y el flujómetro. Esta válvula de control es de

marca Belimo modelo LR24-SR de 1’’ con una entrada y dos salidas (una de ellas

cancelada para la aplicación de este módulo), de alimenta con 24VDC y se controla

con señales de voltaje entre 2VDC y 10VDC. Esta válvula de control tarda 90

segundos en abrir desde el 0% hasta el 100%.

3.2.4 Controlador

El controlador que se utilizado en este diseño es el Controlador Lógico

Programable Micrologix 1200 de la marca Allen Bradley, este controlador pertenece

al programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad Católica Santa María.

Para que el controlador pueda leer a los sensores y enviar señales de

control a los actuadores se le agregó una extensión modular de entradas y salidas

analógicas de serie 1762-IF2OF2 que tiene dos entradas analógicas y cuatro salidas

analógicas. Esta extensión modular pertenece al programa de Ingeniería Electrónica

de la Universidad Católica Santa María.

59

Para realizar la comunicación SCADA entre este controlador y una PC se

agregó a este diseño el uso de una extensión de comunicación vía Ethernet. Este

equipo de marca Allen Bradley modelo 1761-NET-ENI de serie D y revisión A se

comunica con el controlador por medio de un cable de comunicación RS232 y se

comunica con la PC por medio de Ethernet. Este equipo pertenece también al

programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad Católica Santa María.

3.2.5 Alimentación

En el diseño se establece que la alimentación principal será por medio de

una conexión de 220VAC trifásica para la alimentación de los equipos de control de

220VAC, pero los equipos de instrumentación (excepto el variador de velocidad)

deben recibir una alimentación de 24VDC.

Para el diseño de este módulo se agregó una fuente de alimentación de

24VDC marca Cisco de 2.5A, corriente suficiente para alimentar sin problemas a los

equipos de instrumentación y a la extensión de comunicación vía Ethernet.

3.2.6 SCADA

Para realizar la comunicación y control SCADA (Supervisory Control

And Data Acquisition) se utilizará el programa RSView de Rockwell Automation,

familia de Allen Bradley. La comunicación y control SCADA se realizará vía

Ethernet, siendo posible este control desde uno o más puntos (PC) siempre y cuando

sólo uno de ellos sea el maestro.

3.3 Planos

3.3.1 Plano Mecánico del Módulo Educativo de Control de Flujo y Nivel

3.3.2 Plano de Conexión Eléctrica e Instrumental del Módulo Educativo

de control de Flujo y Nivel

3.3.3 Plano P&ID del Módulo Educativo de Control de Flujo y Nivel

60

61

62

3.4 Programación del Controlador Micrologix 1200 con Rockwell Software

Para la programación del autómata Micrologix 1200 se necesitan dos programas

importantes, uno para realizar el lazo de comunicación entra la PC y el PLC y otro para

realizar directamente la programación LADDER que se quiere.

3.4.1 Programa de Comunicación RSLinx

Este es un programa perteneciente a la familia de Allen Bradley aplicable

en Microsoft Windows. La versión utilizada para la aplicación de esta tesis es la

2.43.

Para poder realizar la programación del PLC primero debe haber un lazo

de comunicación, para el caso de la programación se realizará un modo de

comunicación serial, es decir vía RS-232, se accede al programa RSLinx por medio

de su ícono característico ( ), al ingresar a este programa aparecerá la ventana que

se observa en la figura 3.4.

Figura 3.4 Ventana Principal de RSLinx

Fuente: Programa RSLinx

Para realizar la comunicación primero se debe revisar que el

conexionado por medio del puerto RS-232 entre la PC y el PLC es correcto y que el

cable no presenta problemas físicos que puedan causar un cortocircuito. Para poder

realizar la comunicación primero deberá encenderse el PLC, después de esto

63

ingresar a la opción “Configure Drivers” ( ) donde aparecerá la ventana que se

observa en la figura 3.5.

Figura 3.5 Ventana Configure Drivers Antes De Establecer Comunicación Con El

Controlador

Fuente: Programa RSLinx

Como se observa en la figura 3.5, al desplegar la opción de “Avaiable

Driver Types” se puede elegir cualquiera de las opciones de comunicación que

aparecen, pero para la programación utilizamos la opción “RS-232 DF1 devices” ya

que el puerto de comunicación que se ha conectado es el serial. Al aceptar esta

opción aparecerá la ventana que se observa en la figura 3.6.

Figura 3.6 Ventana para indresar un nuevo RSLinx Driver

Fuente: Programa RSLinx

En esta ventana se deberá colocar el nombre que el operador desea que

tenga el lazo de comunicación que está realizando, para nuestro caso se dejó el

nombre que el programa da por defecto. Al aceptar el nombre del lazo de

comunicación aparecerá la ventana que se ve en la figura 3.7

64

Figura 3.7 Ventana de Configuración RS232

Fuente: Programa RSLinx

En la ventana de la figura 3.7, los datos más importantes para tomar en

cuenta son los del puerto de comunicación el cual debe de ser el COM1 y la

velocidad de comunicación dada es baudios la cual debe ser de 19200, para

comprobar que los datos ingresados son correctos y también para verificar que el

PLC y la PC se encuentran bien conectadas se utiliza la opción de Auto-Configure,

al acceder a esta opción en el cuadro del costado aparecerá el aviso “Successful

Autoconfigure”. Una vez terminado todo esto se volverá al cuadro que muestra la

figura 3.5, pero con la diferencia que ahora en la parte inferior aparecerá nuestro

lazo de comunicación entre la PC y el PLC, es decir que se observará la figura 3.8.

Figura 3.8 Ventana Configure Drivers Después De Establecer Comunicación Con

El Controlador

Fuente: Programa RSLinx

65

A partir de este momento ya hay un lazo de comunicación entre la PC y

el PLC, para poder comprobar que el PLC ha sido reconocido y que la

comunicación fue exitosa se ingresa a la opción “RSWho” ( ), donde aparecerá

una ventana en la cual se observará al PLC (figura 3.9), en caso no haya

comunicación entre ambos equipos el dibujo del PLC aparecerá tachado con una

marca de color rojo.

Figura 3.9 Ventana RSWho

Fuente: Programa RSLinx

En este momento ya hay un lazo de comunicación entre la PC y el PLC,

por lo cual ya se puede programar el PLC.

3.4.2 Programa Realizado en Programación LADDER en RSLogix

Este es un programa perteneciente a la familia de Allen Bradley aplicable

en Microsoft Windows. La versión utilizada para la aplicación de esta tesis es la 6.3.

Antes de empezar con la programación debemos conocer las condiciones

de nuestro programa y las entradas, salidas y tags que se van a utilizar.

CONDICIONES DEL PROGRAMA:

1. El único Set Point será el flujo.

2. Para una mejor respuesta se aplicará un control cascada, donde el lazo PI

maestro se realizará entre el flujómetro y la válvula de control, teniendo como

entrada el Set Point ingresado por el operador y el esclavo será un lazo PID entre el

66

sensor de presión y el variador de velocidad, teniendo como entrada de Set Point la

salida controlada por el PI maestro.

3. En la parte frontal del tablero se presentan tres indicadores, uno color rojo, uno

color verde y uno color ámbar. El indicador rojo se encenderá cuando la planta se

encuentre totalmente detenida ó cuando el operador no pueda ingresar el Set Point

deseado por razones de seguridad (cuando el nivel en el tanque principal se

encuentre fuera de sus rangos de trabajo). El indicador verde se encenderá cuando el

módulo esté trabajando sin ningún problema. El indicador ámbar se encenderá

parpadeando cuando el nivel se esté aproximando al rango límite de nivel ya sea

máximo o mínimo y permanecerá totalmente encendida cuando el nivel haya

excedido estos límites de seguridad.

4. En el tablero se haya también un pulsaros de enclavamiento normalmente

cerrado el cual es utilizado como parada de emergencia, en caso de que el operador

se encuentre en el área local y vea que hay algún problema se presionará esta parada

de emergencia deteniendo por completo el módulo y mandando el valor del Set

Point a cero, evitando así que el operador pueda ingresar un valor de trabajo. Hay

que tener en cuenta que en el programa de comunicación SCADA se debe colocar

también una parada de emergencia virtual, la cual podrá ser activada únicamente por

el operador desde la PC de control.

Basándonos en estas condiciones lo primero que se debe hacer es definir

cuáles serán las entradas, salidas y Tags a utilizar en el programa, para esto nos

basamos en la Tabla 3.1.

67

ÍTEM EQUIPO TAGModo de

Trabajo

Rango

de

Trabajo

Tipo

de

Señal

Dirección

en PLCUbicación

1

Pulsador de

enclavamiento

normalmente

cerrado

Parada de

Emergencia

(PE)

Discreto 110 VAC I:0.0/0Exterior

del panel

2Indicador

RojoIND1 Discreto 220 VAC O:0.0/0

Exterior

del panel

3Indicador

VerdeIND2 Discreto 220 VAC O:0.0/1

Exterior

del panel

4Indicador

AmarilloIND3 Discreto 220 VAC O:0.0/2

Exterior

del panel

5 Flujómetro FIT Analógico 4 a 20 mA I:1.0Salida de

Tanque 1

6Sensor de

PresiónPIT Analógico 4 a 20 mA I:1.1 Tanque 1

7Válvula de

ControlFV Analógico 2 a 10 VDC O:1.0

Salida de

Tanque 1

8Variador de

VelocidadVSD Analógico 0 a 10 VDC O:1.1

Interior

del panel

Tabla 3.1 Tabla De Especificación De Equipos

Fuente: Elaboración Propia

Teniendo estos datos podemos proceder a obtener los rangos de trabajo

que deseamos aplicar tanto en el nivel del tanque como en el Set Point. Para esto se

tendrán que realizar unas programaciones previas para poder obtener resultados que

nos ayuden a obtener el programa definitivo, para esto se abre el programa RSLogix

por medio de su ícono ( ), apareciendo en pantalla un cuadro como el de la figura

3.10.

68

Figura 3.10 Ventana RSLogix 500

Fuente: Programa RSLogix 500

Para comenzar con la programación, primero se deberá ingresar a la

opción “New” para elegir el PLC con el cual nos vamos a comunicar para

programarlo, en este caso se escoge el PLC Micrologix 1299 Serie B como se

observa en la figura 3.11.

Figura 3.11 Ventana de Selección de Controlador

Fuente: Programa RSLogix 500

Una vez hecho esto se debe hacer un reconocimiento de todos los

equipos anexos que tiene el autómata (en este caso el puerto de comunicación

analógica), esto se hace por medio de la opción “IO Configuration” como muestra la

figura 3.12.

69

Figura 3.12 Ventana de Configuración de Entradas y Salidas

Fuente: Programa RSLogix 500

Para que el reconocimiento se haga de manera automática se elige la

opción “Read IO Config.” Que muestra la figura 3.12, hecho esto la extensión

analógica será reconocida. Se debe cambiar la opción de lectura de la entrada la cual

por defecto se encontrará en voltaje de 0 a 10VDC y deberá ser cambiada a corriente

de 4 a 20mA como se muestra en la figura 3.13.

Figura 3.13 Ventana de Configuración de Entradas y Salidas del Módulo

Analógico

Fuente: Programa RSLogix 500

Una vez realizada esta configuración se puede programar el PLC sin

ningún problema y poder hallar los rangos de trabajo de nivel y de flujo que se

desean.

70

3.4.2.1 Rangos de Trabajo del Nivel

Para poder obtener estos datos primero descargamos un programa

LADDER simple en el cual únicamente se verá involucrado un SCP (Escala con

parámetros) como se muestra en la figura 3.14.

Figura 3.14 Programa LADDER De Un SCP Para El Nivel

Fuente: Programa RSLogix 500

Se muestra en la figura 3.14 que el escalado de la dirección de entrada

tiene una resolución digital de 0 a 32767, esta resolución es con la que trabaja el

PLC Allen Bradley y su escalado va desde 0 hasta 10000, esto se dio porque el

margen de trabajo del sensor de presión es de 0 a 1 bar, ya que entre estos valores no

habría una resolución visible se colocó 10000 y la respuesta será multiplicada por

0.0001.

Para programar el PLC simplemente se utiliza la barra desplegable que

se encuentra en la parte superior derecha de la ventana y se elije la opción

“DOWNLOAD” que muestra la figura 3.15.

Figura 3.15 Ventana de Descarga del Programa

Fuente: Programa RSLogix 500

Cada vez que se va a descargar un programa LADDER al PLC el

software exige guardar la aplicación, ya que estas primeras aplicaciones son sólo

71

para hallar datos de pruebas y no son importantes serán guardadas

momentáneamente en la carpeta “mis documentos” para luego ser eliminadas.

Para hallar los rangos de trabajo que ofrece el nivel se llenó el tanque de

almacenamiento principal, observando en la computadora que el valor digital

máximo es 7900. Después de esto se descarga el tanque hasta llegar a un punto en el

cual el segundo tanque (tanque de reserva) no es conveniente llenar más, por lo

tanto a este nivel el tanque principal muestra un valor de 6800 en valor digital se le

denominará como el valor mínimo. Ya que el nivel del tanque es irrelevante en el

proceso no se realiza más pruebas, simplemente se le asignan valores de trabajo

visualmente.

Se llegó a la conclusión de trabajar desde el 30% hasta el 80% de la

capacidad total del tanque, se considerará como riesgo de nivel bajo cuando se

trabaje del 25% al 30%, se considerará como riesgo de nivel alto cuando se trabaje

del 80% al 85% y se considerará como fuera del rango de trabajo cuando el nivel se

encuentre por debajo del 25% o por encima del 80% (figura 3.16).

Figura 3.16 Gráfica De Trabajo Del Nivel

Fuente: Programa RSLogix 500

El rango máximo fue dado de modo tal que el tanque de almacenamiento

inferior no se encuentre sin líquido, ya que si la bomba de agua trabajara sin líquido

por mucho tiempo se reducirá su tiempo de vida y el rango mínimo fue dado de

modo tal que el nivel en el tanque de almacenamiento inferior no llegue a tener

contacto con la tubería de salida de la válvula de control ya que podría variar la

medición del flujo y tener lecturas erróneas del mismo.

72

3.4.2.2 Rangos de Trabajo del Flujo

El sensor integral de flujo puede medir desde 2 litros/minuto hasta 50

litros/minuto, entonces debemos definir el rango de trabajo que presenta la planta

dentro de este rango máximo. La táctica aplicada para este caso fue hallar gráficas

de trabajo del flujo en litros por minuto respecto a dos factores: el nivel del tanque y

el ángulo de apertura de la válvula de control. Para esto primero se reprograma el

PLC, dando un lazo PID entre el sensor de presión y el variador de velocidad para

mantener un nivel deseado mientras se trabaja cambiando los ángulos de apertura de

la válvula de control y así ir tomando los datos que dará el flujómetro en

litros/minuto. Previo a esto se observó el trabajo de la válvula de control,

descubriendo que esta válvula permite un paso de líquido mínimo a partir de un

35% de su apertura (prueba y error), se hizo una reprogramación en el PLC para

observar esto (figura 3.17).

Figura 3.17 Programa LADDER De Un SCP Para La Válvula De Control

Fuente: Programa RSLogix 500

En este programa, el valor digital “N7:0” es un valor que puede ser

modificado por el operador, como se observa la variación es de cero a cien

considerando porcentaje y la salida va directamente a la válvula de control

(dirección O:1.0) con una variación digital de cero a 32767 que representa a la

salida de 0 a 10VDC. Ya que la válvula de control trabaja desde 2VDC hasta

10VDC por medio de prueba y error calculamos los valores digitales en los que

trabajará la válvula, descubriendo que este valor digital va desde los 10000 hasta los

32767.

73

Ya conocido esto procedemos a la reprogramación para hallar las

gráficas de trabajo del medidor integral de flujo.

Figura 3.18 Línea 0, Programa Para Hallar Rangos De Trabajo Del FIT

Fuente: Programa RSLogix 500

En la primera línea de la programación (figura 3.18) colocamos un SCP,

donde la entrada del sensor de presión (PIT) que varía desde un mínimo de 6800

digital hasta un máximo de 7900 digital será escalado desde un 0 digital hasta un

16383 digital para enviarlo a un “N7:0” para su posterior uso. El cambio se realiza

de esta manera porque esta salida se utilizará para el control PID y se sabe que un

lazo de control PID en un PLC Allen Bradley trabaja con 14 bits ya que el bit 15 es

utilizado para la asignación del signo positivo o negativo.

Figura 3.19 Línea 1, Programa Para Hallar Rangos De Trabajo Del FIT

Fuente: Programa RSLogix 500

Observamos que en nuestra segunda línea de programación (figura 3.19)

el operador ingresará a la dirección “N7:1” un valor que varía entre cero y cien, este

valor será el nivel deseado en porcentaje y será escalado por el SCP a valores que

van desde el 0 digital hasta el 16383 digital, mandando este valor a la dirección

74

“PD9:0.SPS” que es la dirección del valor Set Point del lazo PID que se colocará en

la siguiente línea de programación LADDER.

Figura 3.20 Línea 2, Programa Para Hallar Rangos De Trabajo Del FIT

Fuente: Programa RSLogix 500

En esta línea (figura 3.20) tenemos el lazo de control PID, donde la

dirección de este lazo es el “PD9:0”, su variable de proceso es el sensado del nivel

del tanque (N7:0) y su variable de control se enviará a la dirección “N7:2” para su

posterior uso. Los valores de control de este lazo deben ser ingresados previamente

a la programación.

Figura 3.21 Programación del Lazo PID, Programa Para Hallar Rangos De

Trabajo Del FIT

Fuente: Programa RSLogix 500

Los valores de ganancia (Kc), Tiempo Integrativo (Ti) y tiempo

derivativo (Td) del lazo PID (figura 3.21) fueron ingresados por criterio del

operador, ya que para un rápido control del nivel se utilizará el programa “RSTune”.

El valor “Loop Update” determina el tiempo que tardará el lazo de control PID en

hallar cada valor que se deberá enviar a la variable de control según los demás

valores ingresados, la opción “PID Control” se encuentra en AUTO, ya que

queremos que este lazo se encargue del control sin intervención del operador, la

75

escala de trabajo del valor Set Point irá desde el 0 digital hasta el 16383 digital y su

porcentaje de trabajo para la variable de control (salida) irá desde el 0% hasta el

100% del valor de trabajo del lazo PID (0 - 16383).

Figura 3.22 Línea 3, Programa Para Hallar Rangos De Trabajo Del FIT

Fuente: Programa RSLogix 500

En esta línea (figura 3.22) observamos que la dirección “N7:2” que fue

previamente asignada a la salida del lazo de control PID es escalada por medio de

un SCP a valores digitales que van desde cero hasta 32767 y es direccionado a

“O:1.1” que es la salida del PLC que controla el variador de velocidad (VSD) que

trabaja de 0VDC a 10VDC.

Figura 3.23 Línea 4, Programa Para Hallar Rangos De Trabajo Del FIT

Fuente: Programa RSLogix 500

En esta línea de programación (figura 3.23) se ve que la dirección

“N7:3” podrá ser ingresada por el operador dentro de los valores 0 y 100,

considerados como el porcentaje de apertura de la válvula de control y serán

escalados por un SCP a los valores digitales dentro del rango de 10000 a 32767

direccionado a “O:1.0” (Válvula de control).

76

Figura 3.24 Línea 5, Programa Para Hallar Rangos De Trabajo Del FIT

Fuente: Programa RSLogix 500

En la última línea de programación (figura 3.24) vemos que la entrada

“I:1.0” que es el sensado del FIT el cual varía de 4mA a 20mA que calculado a

valores digitales que interpreta el PLC sería de 6256 hasta 32767 y por medio de un

SCP se escala este valor en un rango entre 0 y 500, lo cual nos dará un valor entre

0.0 y 50.0 (multiplicando el valor de salida por 0.1 para una mejor resolución) y este

dato lo enviamos a la dirección “N7:4” para la lectura del flujo.

Juntando todas estas líneas de programación LADDER obtenemos el

programa definitivo como se ve en la figura 3.25, este programa nos será útil para

hallar las gráficas de trabajo del medidor integral de flujo.

77

78

Figura 3.25 Programa Para Hallar Rangos De Trabajo Del FIT

Fuente: Programa RSLogix 500

Tabla 3.2 Tabla De Asignación De Valores De Sintonización Para Lazos De

Control PID

Fuente: www.experture.com/tutor.html

Para hallar los valores de sintonización del lazo PID que controla el nivel

del tanque nos hemos basado en la tabla 3.2, la cual indica los valores de Kc,Ti y Td

recomendados por “Experture”. Se utilizó los valores base para el control de Nivel

(Líquido), cada vez que se sintonizaba el nivel se comenzaba a realizar las pruebas

de apertura de la válvula de control y a tomar nota de los valores del flujo en

litros/minuto.

79

Para realizar esto primeramente se hace una tabla (tabla 3.3) de trabajo

en la cual se tiene los porcentajes de apertura contra los diferentes niveles del

tanque.

Tabla 3.3 Tabla De Asignación De Valores De Flujo Según Aperturas De La

Válvula De Control

Fuente: Elaboración Propia

Como se ve en la tabla 3.3, primero debemos sintonizar el nivel del

tanque en ciertos porcentajes, como vemos estos porcentajes son 30%, 35%, 40%,

45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75% y 80% que son valores que se encuentran

dentro del rango de trabajo normal del nivel. Cuando el sistema se encuentre

sintonizado en cada uno de estos niveles se deberá abrir la válvula de control a

diferentes ángulos de apertura, estos ángulos van desde el 5% hasta el 100% de

apertura, saltando un 5% en cada apertura.

Una vez que fue realizada esta prueba se hallaron los siguientes valores

de flujo y por lo tanto se obtuvo la tabla 3.4.

80

Tabla 3.4 Tabla De Valores De Flujo Según Aperturas De La Válvula De Control

Fuente: Elaboración Propia

Teniendo los valores de la tabla 3.4, se puede obtener las gráficas de

trabajo en cada porcentaje de nivel del tanque de almacenamiento. Montando una

gráfica sobre otra se podrá observar el rango de trabajo mínimo y máximo del flujo

en este módulo educativo como se muestra en la figura 3.26.

Figura 3.26 Gráfica De Rangos De Trabajo Del Flujo

Fuente: Elaboración Propia

81

Como se observa en la gráfica obtenida (figura 3.26), el medidor integral

de flujo trabaja en este módulo educativo de control en el rango de 3.5 litros/minuto

hasta los 19.2 litros/minuto.

Ahora se conocen las condiciones del programa y los rangos de trabajo

tanto del nivel del tanque de almacenamiento como los del flujo. Con estos datos

podemos crear una lista de ordenamiento de la cual nos basaremos para la

programación LADDER definitiva, la siguiente lista de ordenamiento fue realizada

por criterio de los programadores (tabla 3.5).

82

Tabla 3.5 Lista De Ordenamiento Final

Fuente: Elaboración Propia

83

3.4.2.3 Programa LADDER Para El Control Multivariable CASCADA

Basándonos de los datos obtenidos anteriormente y de la lista de

ordenamiento realizada (tabla 3.5) se puede proceder a la realización del programa

LADDER aplicando un control Multivariable Cascada.

Figura 3.27 Línea 0, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

En la primera línea de programación (figura 3.27) se observa el criterio

que se utilizó para la detención del módulo en casos de emergencia. El indicador

rojo (STOP) será accionado al presionar cualquiera de las dos paradas de

emergencia (local y virtual) o cuando el nivel del tanque de almacenamiento se

encuentre en un nivel fuera de los rangos establecidos.

Figura 3.28 Línea 1, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La siguiente línea de programación (figura 3.28) está dedicada a la

activación del indicador verde (Funcionando), el cual se encenderá cuando la planta

se encuentre funcionando sin ningún problema y esto será cuando ninguna de las

dos paradas de emergencia se encuentre activada y cuando el nivel del tanque de

almacenamiento se encuentre trabajando dentro del rango de trabajo normal.

84

Figura 3.29 Línea 2, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La tercera línea (figura 3.29) muestra la activación del indicador amarillo

(Nivel fuera de Rango) lo cual se dará de dos maneras: se encontrará totalmente

encendido cuando el nivel del tanque de almacenamiento se encuentre fuera del

rango de trabajo normal y se encenderá de manera temporizada (0.5 segundos

prendido y 0.5 segundos apagado) cuando el nivel se encuentre en la zona de “Nivel

en Riesgo”, el funcionamiento de la dirección “T4:0.DN” será explicada más

adelante.

Figura 3.30 Línea 3 y Línea 4, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

Las líneas de programación 3 y 4 (figura 3.30) muestran dos

escalamientos de la dirección “I:1.0” que es el sensado del medidor integral de flujo

(4mA a 20mA) que varía desde el valor digital 6256 al 32767 escalado a la

dirección “N7:0” desde 0 hasta 16383 para trabajar con un lazo de control PID y

85

escalado desde el valor 0 al 500 en la dirección “N7:5” para mostrar el valor del

flujo en litros/minuto (de 0.0 a 50.0).

Figura 3.31 Línea 5, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La quinta línea de programación (Figura 3.31) es para el valor Set Point

que ingresará el operador a la dirección “N7:4” que se encuentra dentro de los

valores 0 y 500 escalando este dato por medio de un SCP en un valor digital que

varía entre los valores 0 y 16383 y que es enviado a la dirección “PD9:0.SPS” el

cual es el valor de Set Point del lazo PID Maestro.

Figura 3.32 Línea 6, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La sexta línea de programación (figura 3.32) es para el lazo PID Maestro

o del lazo flujo – válvula de control, donde la dirección de este lazo PID es “PD9:0”,

su variable de proceso es el dato de la dirección “N7:0” y la variable controlada es el

dato de la dirección “N7:2”. Los datos que deben ser modificados dentro de este

lazo serán los mismos aplicados anteriormente, ya que al momento de poner el

programa en funcionamiento le ingresarán los valores definitivos de Kc, Ti y Td

aplicando el programa RSTune.

86

Figura 3.33 Línea 7 y Línea 8, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

Las líneas de programación 7 y 8 (figura 3.33) muestran el escalado del

valor de la dirección “N7:2” que es la salida del lazo PID Maestro el cual varía de 0

a 16383 y es enviado a la dirección “O:1.0” entre los valores digitales 10000 y

32767. La línea 8 muestra el escalamiento de la dirección “O:1.0” a valores entre 0

y 100 lo cual representa el porcentaje de apertura de la válvula de control, enviado a

la dirección “N7.7”.

Figura 3.34 Línea 9, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

En la novena línea de programación (figura 3.34) se envía el valor cero

como Set Point en el caso de que se active cualquiera de las dos paradas de

emergencia establecidas o cundo el nivel del tanque de almacenamiento se

encuentre en peligro de nivel alto, el cuadro de opción de diálogo MOV envía este

87

valor a la dirección “N7:4”, evitando que el valor ingresado por el operador sea

leído por tema de seguridad.

Figura 3.35 Línea 10, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La décima línea de programación (figura 3.35) muestra que por medio de

un nuevo cuadro de diálogo MOV se cambia el valor del Set Point en la dirección

“N7:4” a 500, lo cual es el valor máximo al que puede llegar a sensar el flujómetro;

esto únicamente se dará cuando el nivel del tanque de almacenamiento se encuentre

por debajo del valor mínimo de trabajo normal.

Se sabe que en este módulo educativo el FIT puede llegar a sensar como

máximo un flujo de 19.2 litros/minuto, pero al pedir un Set Point de 50.0 la bomba

trabajará a su máxima potencia llenando rápidamente el tanque de almacenamiento

y evitando así el “Nivel Bajo en Peligro”.

Figura 3.36 Línea 11 y Línea 12, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

88

Las líneas de programación 11 y 12 (figura 3.36) muestran que la

dirección de entrada “I:1.1” está siendo escalada de 6800 y 7900 a valores que van

desde 0 hasta 16383 por medio de un SCP y por medio de otro se escala ese mismo

valor a uno entre 0 y 100 que son valores dados en porcentaje de nivel del tanque y

que es direccionado a “N7:6”.

Figura 3.37 Línea 13, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La decimotercera línea de programación (figura 3.37) muestra que por

medio de un cuadro de diálogo MOV se envía el valor que se dé en la dirección

“N7:2” a la dirección “PD9:1.SPS” que es el valor de Set Point del lazo PID

Esclavo. El envío de este valor que es la salida del lazo de control PID Maestro es lo

que establece la aplicación del control Multivariable CASCADA.

Figura 3.38 Línea 14, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La decimocuarta línea (figura 3.38) muestra el lazo de control PID

Esclavo dado entre el PIT (sensor de presión) direccionado por “N7:1” como

variable del proceso y el VSD (variador de velocidad) direccionado por “N7:3”

como variable controlada, donde la entrada de Set Point fue especificada en la línea

de la figura 3.37.

89

Figura 3.39 Línea 15, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

En la decimoquinta línea de programación (figura 3.39) se tiene el

escalamiento de valores de la dirección “N7:3” que varía entre 0 y 16383 a la

dirección de salida “O:1.1” que varía entre los valores 0 y 32767, este escalado se

dará siempre y cuando ninguna de las dos paradas de emergencia sean activadas ni

el Nivel Alto en Peligro sea activado, es decir que el módulo se debe encontrar en

funcionamiento normal.

Figura 3.40 Línea 16, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La decimosexta línea (figura 3.40) muestra un cuadro de diálogo MOV

que envía el valor cero a la dirección de salida “O:1.1” en el caso que alguna de las

paradas de emergencia sea activada o cuando el nivel alto en peligro sea activado.

Se hace el envío del valor cero al VSD (variador de velocidad) cuando se presenta

una emergencia ya que en condiciones normales al simplemente enviar el valor de

Set Point del flujo a cero la válvula de control cerrará lentamente por sus

condiciones físicas y de datos de fabricación y como se sabe que el valor de la

válvula es el Set Point del lazo PID Esclavo en el cual la variable controlada es el

VSD demoraría la bomba de agua en detenerse por completo, es por eso que con

90

esta línea de programación evitamos eso enviando directamente a cero a la bomba

en casos de emergencia.

Figura 3.41 Línea 17, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La decimoséptima línea (figura 3.41) muestra el escalamiento de la

dirección de salida “O:1.1” que varía de 0 a 32767 por medio de un SCP a un valor

en la dirección “N7:8” que varía de 0 a 600, lo cual nos dará la frecuencia en la cual

se encontrará trabajando el VSD (de 0.0Hz a 60.0Hz).

Figura 3.42 Línea 18, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La decimoctava línea (figura 3.42) muestra la activación de la dirección

binaria “B3:0.1” (nivel en riesgo) en el caso que el nivel del tanque de

almacenamiento se encuentre trabajando entre el 25% y el 30% o cuando se

encuentre trabajando entre el 80% y el 85%.

91

Figura 3.43 Línea 19, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La decimonovena línea (figura 3.43) muestra la activación de la

dirección binaria “B3:0.3” en el caso que el nivel del tanque de almacenamiento se

encuentre trabajando por debajo del 25% de su nivel.

Figura 3.44 Línea 20, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

La vigésima línea de programación (figura 3.44) muestra la activación de

la dirección binaria “B3:0.2” en el caso que el nivel del tanque de almacenamiento

se encuentre trabajando por encima del 85% de su nivel.

Figura 3.45 Línea 21, Línea 22 y Línea 23, Programa Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

Las tres últimas líneas del programa LADDER que se muestran en la

figura 3.45 son exclusivas para el parpadeo del indicador amarillo, esto se dará

cuando el nivel del tanque se encuentre trabajando en el área de “Nivel En Riesgo”.

92

Activando la dirección binaria “B3:0.1” el temporizador “Temp 1” direccionado con

“T4:0” comenzará a realizar un conteo de 0.5 segundos, terminado este conteo

activará la dirección “T4:0.DN” indicando el término de este conteo y activando así

al temporizador “Temp 2” direccionado con “T4:1”, el cual realizará un conteo de

0.5 segundos, terminado este segundo conteo se activará la dirección “T4:1.DN”

activando así la dirección binaria “B3:0.0” y como se observa en la vigesimoprimera

línea de programación la activación de esta dirección binaria provocará el reseteo de

estos dos temporizadores reiniciando el conteo y logrando así un encendido y

apagado cada 0.5 segundos.

Al juntar todas estas líneas de programación realizadas, se obtiene el

diagrama LADDER el cual será el programa definitivo en la aplicación del control

Multivariable CASCADA (figura 3.46).

93

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96

Figura 3.46 Programa LADDER De Control Multivariable CASCADA

Fuente: RSLogix 500

3.5 Desarrollo Del Control Y Supervisión SCADA En Software Rsview32

El software para el control y supervisión SCADA que aplicaremos es el

RSViwe32 de Allen Bradley, para ingresar a este software y realizar la programación

se hace por medio del ícono característico de “RSView32 work” ( ), apareciendo la

ventana principal que se muestra en la figura 3.47.

Figura 3.47 Ventana Principal Del Programa RSView 32

Fuente: RSView 32

97

Para poder crear un programa SCADA primero se debe crear una carpeta por

medio de la opción “New”, para este caso se optó por llamarlo “cascada” como se ve en

la figura 3.48.

Figura 3.48 Ventana De Creación De Un Nuevo Programa

Fuente: RSView 32

Una vez realizada la creación del nuevo programa llamado “cascada”, aparecerá

la pantalla de inicio de la programación deseada (figura 3.49).

Figura 3.49 Ventana Principal Del Programa Creado (cascada)

Fuente: RSView 32

Para poder establecer comunicación con el autómata Micrologix 1200 primero

debemos establecer un canal de comunicación y un nodo de comunicación para después

poder asignar direcciones “device” a los diferentes elementos del SCADA.

98

Figura 3.50 Ventana Para La Asignación De Un Canal De Comunicación

Fuente: RSView 32

Para establecer el canal de comunicación se debe escoger en la opción

“Channel” el modo de comunicación con el PLC e identificarlo (figura 3.50), hay q

tener en cuenta que para esto el PLC debe estar conectado y encendido.

Figura 3.51 Ventana De Selección De Controlador Para La Configuración De Un

Nodo

Fuente: RSView 32

99

Figura 3.52 Ventana De Configuración De Un Nodo

Fuente: RSView 32

Una vez creado el canal se deberá crear el nodo, para esto se le debe dar un

nombre, para nuestro caso se le dio el nombre “1200” (figura 3.52) y en la opción

“Station” se selecciona el PLC (figura 3.51).

Ya establecida la comunicación con el PLC procedemos primero a establecer

todos los “tags” que se van a utilizar en esta programación SCADA, esto se hará por

criterio del programador y operador del módulo y basándonos en la lista de

ordenamiento establecida para la programación LADDER del PLC (tabla 3.5).

Para poder asignar Tags en el RSView32 se ingresa a la opción “Tag Database”

dentro del paquete “System” como muestra la figura 3.53.

Figura 3.53 Ventana Project

Fuente: RSView 32

100

Figura 3.54 Ventana Para La Asignación y Configuración De Tags

Fuente: RSView 32

Para la asignación de un TAG (figura 3.54) primero se le debe dar un nombre,

en “type” se denomina la opción de tipo de señal, es decir si la señal de comunicación

entre el SCADA y el PLC será discreta, analógica o un string; en “Data Source” se

denomina si el tag quedará identificado dentro de la memoria del sistema SCADA o si

tendrá comunicación directa con el PLC.

Figura 3.55 Ventana De Selección Del Controlador (Device) Para La

Configuración De Un Tag

Fuente: RSView 32

101

Quedando así establecido el tag “Emergency_Stop” como un tag de

comunicación digital (figura 3.56) y direccionado a un bit del paquete binario del PLC

seleccionado como se ve en la figura 3.55.

Figura 3.56 Ventana Para La Asignación y Configuración De Tags Con El Tag

Emergency_Stop Configurado

Fuente: RSView 32

Siguiendo los mismos pasos de asignación de Tag del “Emergency_Stop” se

realizan los demás tags deseados, teniendo como resultado lo que se ve en la figura

3.57.

Figura 3.57 Ventana Para La Asignación y Configuración De Tags Con Todos Los

Tags Configurados

Fuente: RSView 32

102

Teniendo todos los tags deseados para la programación de este sistema

procedemos a realizar los gráficos correspondientes para la asimilación del módulo

desde la pantalla de monitoreo y control SCADA.

Para realizar los gráficos que indicarán de manera virtual el estado del módulo

en tiempo real primero se debe crear una pantalla por medio del paquete “Graphics”

haciendo click derecho y eligiendo la opción “New” (figura 3.58), para nuestro caso

crearemos dos pantallas de comunicación SCADA, una llamada “Principal” en la cual

se observará el módulo y los valores sensados y otra pantalla de comunicación SCADA

llamada “Trend” la cual mostrará por medio de rectas el trabajo de los sensores,

actuadores, valor del Set Point y de la salida del lazo de control establecido (flujo).

Figura 3.58 Ventana De Creación De Pantallas De Visualización Y Control

Fuente: RSView 32

Al abrir la ventana “Principal” se observa una ventana en blanco con un listado

de herramientas las cuales vamos a utilizar para la creación de nuestras imágenes (figura

3.59).

Figura 3.59 Barra De Herramientas De Las Ventanas De Visualización Y Control

Fuente: RSView 32

103

Con ayuda de estas herramientas el programador procederá a crear las imágenes

necesarias para tener un concepto visual del estado del módulo. La creación de estas

gráficas no sigue un patrón de reglas establecidas si no que es creación y arte del

programador, en este el diseño es el visualizado en la figura 3.60.

Figura 3.60 Ventana “Principal” Creada

Fuente: RSView 32

Se observa en la ventana “Principal” (figura 3.60) la representación gráfica del

módulo educativo de control de nivel y flujo, una parada de emergencia virtual y dos

redondos de color amarillo y verde, los cuales representarán a los indicadores del mismo

color encontrados en el tablero. Se observan símbolos numerales cerca de cada sensor y

actuador los cuales al momento de encontrarse en comunicación con el módulo

indicarán el valor sensado o de envío al actuador, se observa también un botón virtual

“TRENDS”, al pulsarlo se deberá cambiar de pantalla dirigida a la ventana “Trend”.

Luego procedemos a establecer las gráficas necesarias en la ventana “Trend”,

obteniendo lo que se observa en la figura 3.61.

104

Figura 3.61 Ventana “Trend” Creada

Fuente: RSView 32

En la ventana “Trend” (figura 3.61) se observa un cuadro con cinco líneas, al

momento de establecer comunicación con el PLC estas líneas representarán el Set Point

establecido por el operador, el flujo sensado, el nivel sensado, el ángulo de apertura de

la válvula y la frecuencia en la que se encontrará trabajando la bomba de agua. En el

lado izquierdo se observa también que el Set Point y la salida del lazo de control (flujo)

son dados de modo gráfico y de modo numérico al mismo modo que el trabajo de la

bomba de agua en base a la frecuencia.

Volviendo a la ventana “Principal” procedemos a programar las diferentes

gráficas para establecerles una animación respectiva y para que los numerales indiquen

el valor deseado.

105

Figura 3.62 Configuración Del Botón Parada De Emergencia

Fuente: RSView 32

Figura 3.63 Ingreso A La Configuración De La Animación Del Color De La

Parada De Emergencia

Fuente: RSView 32

Figura 3.64 Configuración De La Animación Del Color De La Parada De

Emergencia

Fuente: RSView 32

106

En el caso de la parada de emergencia se le asigna la opción de acción al

momento de ser pulsado (Toggle) como se ve en la figura 3.62 y se le asigna el tag

“Emergency_Stop”. Para una mejor interpretación del operador se programó esta parada

de emergencia virtual de modo que al estar activada encienda de color rojo y al

encontrarse desactivada se encuentre de color blanco (figura 3.63 y figura 3.64).

Figura 3.65 Ingreso A La Configuración De La Animación De La Altura Del

Líquido

Fuente: RSView 32

Figura 3.66 Configuración De La Animación De La Altura Del Líquido

Fuente: RSView 32

Para conocer el nivel de los tanques 1 y 2 del módulo educativo se programa por

medio de la animación “Heigth” el nivel en el que se encuentra el tanque asignando el

tag “LEVEL” (figura 3.65 y figura 3.66). Del mismo modo se programa el tanque 2, con

107

la diferencia que el máximo será 100 y el mínimo será 0, de modo que tendrá acción

inversa a la del tanque 1.

Figura 3.67 Ingreso A La Configuración De La Animación De La Visibilidad De

Los Círculos

Fuente: RSView 32

Figura 3.68 Configuración De La Animación De La Visibilidad De Los Círculos

Fuente: RSView 32

En el caso de los redondos de color amarillo y verde que representan el estado

actual de los indicadores del tablero del módulo educativo de control se le asigna una

animación visual, la cual hace que puedan ser vistos únicamente cuando se enciendan en

el tablero. En el caso del redondo amarillo el tag asignado es “IND3” y en el del color

verde el tag asignado será “IND2” (figura 3.67 y figura 3.68).

108

Figura 3.69 Configuración De La Lectura Del Numeral De La Frecuencia Del VSD

Fuente: RSView 32

En el caso del numeral que indicará la frecuencia a la cual estará trabajando la

bomba de agua se le asigna el tag “PUMP” como se ve en la figura 3.69.

Figura 3.70 Configuración De La Lectura Del Numeral Del Nivel Del Tanque

Fuente: RSView 32

Para el numeral que representará el nivel en el cual se encuentre el tanque de

almacenamiento mostrará un número que será interpretado en porcentaje de llenado del

tanque, para esto se le asigna el tag “LEVEL” como se ve en la figura 3.70.

109

Figura 3.71 Configuración De La Lectura Del Numeral Del Flujo

Fuente: RSView 32

En el numeral que representará el flujo sensado el cual será interpretado en

litros/minuto se le asigna el tag “FLOW” como se ve en la figura 3.71, pero en el PLC

este dato varía desde 0 hasta 500, por lo tanto en el SCADA este valor será multiplicado

por 0.1 para así poder observar valores de flujo entre 0.0 y 50.0 litros/minuto.

Figura 3.72 Configuración De La Lectura Del Numeral De La Válvula De Control

Fuente: RSView 32

Para el numeral de la válvula de control (Flow Valve) se le asigna el tag

“VALVE” como se observa en la figura 3.72, el cual será interpretado como porcentaje

de apertura de la válvula.

110

Figura 3.73 Configuración Del Ingreso Del Set Point

Fuente: RSView 32

El último numeral es de entrada, quiere decir que el operador podrá ingresar este

dato desde la pantalla de comunicación SCADA, el tag de este numeral de entrada es

“SET_POINT” (figura 3.73) el cual variará entre 0 y 500, el operador deberá tener en

cuenta que el valor ingresado realmente debe variar entre 0 y 50 litros/minuto, es por

eso que el dato a ingresar deberá ser multiplicado por 10.

En la ventana “Trend” se realiza el mismo procedimiento de programación

SCADA a los diversos gráficos.

Figura 3.74 Configuración Del Tiempo De Lectura En El Cuadro

Fuente: RSView 32

111

Figura 3.75 Configuración De Las Diferentes Rectas

Fuente: RSView 32

Para la lectura gráfica en tiempo real de los actuadores se crea un “trend”, y al

ingresar a este mismo se le asigna el tiempo de lectura de tramo a tramo, en este caso se

le da un rango de lectura de 60 segundos (figura 3.74) y el tag deseado y un color a cada

línea que se desee visualizar (figura 3.75).

Figura 3.76 Configuración De La Lectura Del Numeral Del Flujo

Fuente: RSView 32

Al numeral interpretado como OUTPUT indicará la salida del lazo de control

(figura 3.76), es decir que indicará el flujo de salida y del mismo modo que en la

ventana “Principal” este valor deberá ser multiplicado por 0.1.

112

Figura 3.77 Configuración De La Lectura Del Set Point

Fuente: RSView 32

El valor de Set Point será mostrado en el cuadro que se indica en la figura 3.77,

pero no podrá ser variado más que desde la ventana “Principal”, es por eso que en este

caso el Set Point es multiplicado por 0.1.

Figura 3.78 Configuración De La Lectura Animación Fill Para La PV

Fuente: RSView 32

La gráfica de color turquesa representará la salida del lazo de control (flujo), por

esto se le asigna el tag “FLOW” en la animación fill (figura 3.78). Del mismo modo se

realizará la programación del gráfico color azul el cual representará el Set Point que

ingrese el operador.

113

Figura 3.79 Configuración De La Animación De Posición Vertical Para Indicar La

Frecuencia Del VSD

Fuente: RSView 32

En el caso de la animación del indicador que representará el trabajo de la bomba

de agua en frecuencia se realiza un movimiento vertical desde un mínimo 0 y un

máximo calculado por prueba y error de 210 como se ve en la figura 3.79.

Teniendo esta programación y comprobando que se está estableciendo una

comunicación con el PLC ya sea vía RS232 o vía Ethernet se puede controlar el módulo

educativo de control por medio de un monitoreo SCADA.

Para abrir el programa SCADA se hace desde la carpeta creada (para nuestro

caso la carpeta “cascada”) como se ve en la figura 3.80.

Figura 3.80 Ubicación Del Programa Creado (cascada) En RSWiew 32

Fuente: Elaboración Propia

3.6 Lazo De Comunicación Vía Ethernet

Hasta el momento se ha programado el PLC, y se ha desarrollado el programa de

monitoreo y control SCADA por medio de una comunicación vía RS232.

114

Para el monitoreo y control SCADA del módulo educativo de control de flujo y

nivel en funcionamiento se debe realizar una comunicación vía Ethernet. Para realizar

esta comunicación primero se debe conectar el módulo Net-Eni vía Ethernet (cable

cruzado) a la PC para configurar el dispositivo utilizando el software BOOTP-DHCP

(figura 3.81), el ingreso a este programa se realiza por medio de su ícono característico (

) donde se le asignará todos los valores necesarios para una comunicación Ethernet

exitosa.

Figura 3.81 Pantalla Principal Del Programa BOOTP-DHCP

Fuente: Programa BOOTP-DHCP

Como se observa en la figura 3.81, el programa detecta de manera automática el

número de MAC del dispositivo. Se selecciona la MAC y se hace doble clic para

asignar la dirección IP como se observa en la figura 3.82.

Figura 3.82 Pantalla de propiedades de la MAC

Fuente: Programa BOOTP-DHCP

115

Una vez configurada su dirección IP se podrá observar en la parte inferior de la

ventana el número de MAC con la respectiva dirección IP (figura 3.83).

Figura 3.83 Pantalla Principal Del Programa BOOTP-DHCP Mostrando MAC Y

Dirección Ip Asignada

Fuente: Programa BOOTP-DHCP

Ahora que se tiene el dispositivo con su dirección IP asignada, se realiza la

comunicación con el programa RSLinx. Para ello se conecta la extensión NET-ENI al

PLC vía RS232 y en la configuración del driver Ethernet en RSLinxse coloca la

dirección IP antes asignada (figura 3.84).

Figura 3.84 Pantalla De Asignación De Direcciones IP

Fuente: Programa RSLinx

Una vez hecho esto, por medio de la ventana RSWho se podrá observar que la

PC tiene comunicación con el PLC por medio de la extensión Net-Eni 1761 (figura

3.85).

116

Figura 3.85 Pantalla RSWho

Fuente: Programa RSLinx

3.7 Aplicación Del Programa RSTune Para La Sintonización De Los Lazos PID

Anteriormente, para realizar la sintonización de un lazo de control PID se

procedía a utilizar técnicas de sintonización analíticas como Zigger & Nichols, IMC,

etc., en este caso tenemos el programa RSTune de Rockwell Software, el cual sintoniza

de manera automática analizando la velocidad de respuesta de la variable de control, y

la variable del proceso respecto al Set Point.

Al momento de poner el módulo en funcionamiento el operador maestro deberá

variar los valores de Kc, Ti y Td en los lazos de control PID Maestro y Esclavo para

sintonizarlo. Se deberá abrir el programa RSTune por medio de su ícono característico (

) mostrando la pantalla principal (figura 3.86).

Figura 3.86 Pantalla Principal RSTune

Fuente: Programa RSTune

117

Se procede a crear dos nuevos “New Loop”, donde se deberá programar las

entradas virtuales al PLC según sus valores de Variable de proceso, Variable controlada

y Set Point (figura 3.87).

Figura 3.87 Pantalla de configuración de control PID

Fuente: Programa RSTune

En la figura 3.87 se observa la manera de configurar un lazo de control PID,para

nuestro caso se configuran las direcciones “PD9:0” que es el lazo PID Maestro y la

dirección “PD9.1” que es el lazo PID Esclavo. Se le puede dar cualquier nombre para su

reconocimiento, en este caso se le dio de nombre “pid_fit.tun” para el control del flujo

(Maestro) y “pid_pit.tun” para el control del nivel (Esclavo).

Se abren ambas pantallas y automáticamente mostrarán la gráfica de la variable

de proceso, la variable de control y el Set Point del PID indicado. En la figura 3.88 se

observa la pantalla principal de control PID.

118

Figura 3.88 Pantalla de control PID

Fuente: Programa RSTune

Para que el programa de valores de sintonización, se hace clic en “Auto Tune” y

se espera que el programa realice un muestreo de 33 puntos que es lo mínimo que

necesita para hallar estos valores. Después de esto, el programa sugerirá valores para

Kc, Ti y Td los cuales podrán ser descargados haciendo clic en download.

119

CONCLUSIONES

Se pudo observar que al aplicar el control multivariable cascada, una

variable física que es el nivel de líquido en el tanque 1 influye sobre otra variable

física que es el flujo de salida del tanque 1. Esto se da porque a mayor nivel en el

tanque 1 la presión de líquido que caerá sobre el medidor de flujo será mayor,

provocando un mayor flujo y viceversa. Esto da como resultado que para poder

aplicar el control multivariable cascada el control del flujo (control primario o

control maestro) deberá afectar al set point del control del nivel del tanque 1

(control secundario o control esclavo) para poder llegar de manera más rápida y

eficiente al set point (flujo).

Se demostró que es posible realizar el diseño y la implementación de un

módulo educativo de control de flujo y nivel y aplicar el control multivariable

cascada.

Se demostró como un control CASCADA responde de una manera más

eficiente, llegando al valor del Set Point más rápido y con menos oscilaciones que

utilizando sólo un lazo PID.

120

Se realizó un control y monitoreo del módulo con un sistema SCADA con

comunicación RS232 y comunicación Ethernet.

Al realizar el diseño e implementación de este módulo educativo se realizó

también un procedimiento de operación estándar, ya que este módulo pertenecerá al

programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad Católica Santa María y se

quiere que los docentes y alumnos del programa aprovechen en utilizarlo.

El módulo Educativo de Control de Flujo y Nivel fue diseñado en base a un

módulo de control de nivel que pertenece al programa de Ingeniería Electrónica de

la Universidad Católica Santa María, este nuevo módulo se encuentra mejorado

tanto en implementación de más equipos de instrumentación como en un diseño

mejorado y que da opciones de aplicar más sistemas de control.

Se debe tomar en cuenta las especificaciones técnicas de instalación y de

conexión de los diferentes equipos de instrumentación en base a las hojas de datos

de los diferentes equipos.

Se debe tener en cuenta que en un lazo de control multivariable CASADA

el PID Esclavo deberá responder más rápido que el PID Maestro, para esto la

ganancia en el esclavo deberá ser mayor siempre y cuando se encuentre dentro del

rango recomendable.

121

RECOMENDACIONES

Se recomienda la instalación de Puesta a Tierra en el Laboratorio de

Automatización y Control del Programa Profesional de Ingeniería Electrónica de la

Universidad Católica Santa María para que el módulo educativo pueda ser aterrado

y así evitar accidentes por recibir un shock eléctrico.

Se incentiva a los docentes, autoridades y alumnos del programa de

Ingeniería Electrónica en aplicar Procedimientos de Operación Estándar en los

demás módulos existentes en los laboratorios de Ingeniería Electrónica, evitando

así accidentes a las personas, un mal uso de los equipos de instrumentación y

desmantelar módulos educativos que pueden ser utilizados para estudios.

Se recomienda a los docentes que para realizar las prácticas respectivas con

el Módulo Educativo De Control De Flujo Y Nivel apliquen el Procedimiento de

Operación Estándar en todo el proceso de la elaboración de la práctica.

Se recomienda a las autoridades que se encuentran bajo la responsabilidad

del estado y uso del Módulo Educativo De Control De Flujo Y Nivel verificar que

no se desmantele o se realicen pruebas que no se encuentren aprobadas por el POE

sin una autorización previa.

122

Se incentiva a los alumnos del Programa Profesional de Ingeniería

Electrónica para que recomienden la aplicación de mejoras en el Módulo Educativo

De Control De Flujo Y Nivel como por ejemplo:

o Cambiar el tipo de sensado del nivel utilizando sensores

ultrasónicos.

o Cambiar el tablero principal, debido a que en el actual los

componentes se encuentran juntos, este debe de ser cambiado por

uno más grande y que cumpla una norma nema.

o Desarrollar tipo de comunicaron Ethernet mediante OPC server

o Aplicar otros tipos de comunicación para el control SCADA como

comunicación DH+, DeviceNet, etc.

o Cambiar los equipos de instrumentación por unos mejores como por

ejemplo equipos con comunicación HART.

o Utilizar la salida de la válvula de control que está siendo inutilizada

en esta TESIS para aplicar otro tipo de control, etc.

123

BIBLIOGRAFIA

Eronini Umez - Eronini, “Dinámica De Sistemas Y Control”, Morgan State

University 2001.

S. Mangan A. Zaslaver & U. Alon, "The coherent feed-forward loop serves as a

sign-sensitive delay element in transcription networks", J. Molecular Biology

334:197-204 (2003).

Manuel Viejo Zurucaray, “Bombas: Teoría, Diseño Y Aplicación”, Ed. Limusa

Ogata K., Ingeniería De Control Moderna (Prentice Hall) - 2da

Edición - 2000.

Balcells, Joseph y Romeral, José Luís, “Autómatas Programables” (Alfaomega)

– 1ra Edición - Barcelona: Marcombo, 2000.

Benjamín C. Kuo, “Sistemas De Control Automático”, (Prentice Hall) - 1ra

Edición - 1996.

Websites:

124

http://200.13.98.241/~javier/control_feedforward.pdf

http://www.bgu.ac.il/chem_eng/pages/Courses/oren%20courses/Chapter_9.pdf

http://www.ps.usb.ve/Control/PS2323_0105/apuntes/semana8.pdf

http://www.britannica.com/EBchecked/topic/203725/feedforward-control

http://es.wikipedia.orqg/wiki/Feed-forward

http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/rm/1762-

rm001_-es-p.pdf

http://www.dia.uned.es/~fmorilla/MaterialDidactico/tema4p.pdf

http://omarsanchez.net/multicontrol.aspx

http://www.lukor.com/ordenadores/05062902.htm

http://www.sapiensman.com/control_automatico/control_automatico7.htm

http://www.sapiensman.com/control_automatico/

control_automatico4.htm#accion_integral

http://www.sapiensman.com/control_automatico/

control_automatico3.htm#accion_proporcional

http://www.sapiensman.com/control_automatico/

http://www.geocities.com/ingenieria_control/control1.htm

http://prof.usb.ve/srevolla/Archivos/Instru/Medidores%20de

%20flujo.ppt#256,1,Medidores de flujo

http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/1762-

in006_-mu-p.pdf

http://www.monografias.com/trabajos31/medidores-flujo/medidores-

flujo.shtml#medidores

http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/teoria/nivel/nivel1.htm

http://materias.fi.uba.ar/6722/VALGLOS.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Accionamiento_de_Velocidad_Variable

http://library.abb.com/global/scot/scot211.nsf/veritydisplay/

64749de215b90ff8c125759800312800/$File/DS_FEP300-B-ES-04_2009.pdf

http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mv?xid=860&edi=47

http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_centr%C3%ADfuga

http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/teoria/nivel/diferen.htm

125

ANEXOS

126