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AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DE UN
SISTEMA DE NIVEL POR HISTÉRESIS EN LA
PLANTA DE INSTRUMENTACIÓN DE LA FTAP
USANDO UN AUTOMÁTA PROGRAMABLE. Felipe Palta
1
Tecnología en Instrumentación Electrónica.
Fundación Tecnológica Autónoma del Pacífico, Cali, Colombia
Abstract- En el siguiente informe de laboratorio se presenta
el análisis y diseño de un sistema de control de nivel por
histéresis, el cual permite observar la efectividad del
posicionamiento del nivel del fluido sobre un set-point
manual establecido previamente. Se muestra la realización
del análisis lógico para el diseño de la estructura básica del
programa embebido en el autómata programable (PLC),
cuya salida programa es directamente acoplada a la bomba
hidráulica del proceso, cuya función es desplazar el fluido.
Por otra parte, también se muestra el análisis realizado a
todo el proceso de la planta de instrumentación,
seleccionando de manera certera el flujo del proceso
adecuado incluyendo los sensores (Basado en arquitectura
de 3 electrodos) y el actuador (Bomba hidráulica) del caso,
para cumplir el objetivo fundamental de control de nivel por
histéresis. Finalmente se evalúa la efectividad del sistema
planteado, encontrado un grado de satisfacción excelente.
I. MARCO TEÓRICO
La industria actual que conocemos en el siglo XXI, y de la
cual somos parte, ha sufrido una serie de cambios drásticos a
lo largo de la historia, para poder ser constituida como el
coloso de la automatización actual.
El hito relevante en la historia se remonta específicamente a la
segunda mitad del siglo XVIII en el antiguo Reino Unido, en
el cual se contaba con un modelo económico basado
fundamentalmente en la agricultura y el comercio. Dicho
modelo económico dio un salto trascendental al plantearse
nuevas formas de economía, basadas en un carácter urbano,
lo que desencadeno la implementación de una fuerza
totalmente industrializada y mecanizada.
Dicha fuerza basada en la economía mecanizada y por ende
expandida a la industria, la cual es el paso fundamental en la
historia, se le conoce como la PRIMERA REVOLUCIÓN
INDUSTRIAL, en la cual se pudo percibir como fuerte
constitutivo el estudio de las ciencias básicas y en especial la
mecánica, la cual empezó a formar parte de todos los
procesos productivos de la época, ejemplo de ello, el uso de la
maquina tejedora mecanizada presentada en la Fig.1, la cual
permitió al Reino Unido convertirse en potencia artesanal en
la industria textil.
Figura.1 Máquina tejedora mecánica utilizada en el siglo XVIII en el
Reino Unido.
Dicha industrialización se logró gracias a otro factor
fundamental y fue la movilidad de dichas producciones, la
cual para esa época era tremendamente complicada y
comúnmente usada mediante las embarcaciones y el
transporte marítimo, las cuales fueron desplazadas por el uso
del ferrocarril a vapor, el cual desplazaba grandes cantidades
productivas de materia prima, humana y otros valiosos
recursos gracias nuevamente al estudio de la mecánica, pues
esta vez, la termodinámica jugaba el papel fundamental en el
proceso evolutivo para la generación de vapor que finalmente
movilizaba a los ferrocarriles.
A finales del siglo XIX e inicios del siglo XX, hubo un
crecimiento apoteósico e inesperado en el campo industrial,
puesto que los grandes científicos de la época, lograrían
estudiar a fondo los recursos minerales de la tierra,
constituyendo en un 89% la tabla periódica conocida en la
actualidad, descubriendo así los grandes usos de materias
primas fundamentales tales como el Cobre, Zinc, Níquel,
Acero, entre otros. Dicha evolución se constituye
efectivamente en el preciso momento en el cual la
electricidad hace parte de la vida cotidiana y posteriormente
industrial del ser humano, puesto que gracias a su avance
exponencial en tan solo aproximadamente 35 años (a finales
de 1950), se logran constituir grandes marcas y empresas del
sector industrializado, las cuales gracias a la electricidad y su
incorporación a la industria, logra posicionarse como uno de
los ejes centrales de producción activa, logrando así el inicio
de la SEGUNDA REVOLUCIÓN INDUSTRIAL, puesto que
para esta época, se implementó el modelo de producción en
masa generado gracias al apoyo netamente del potencial
eléctrico y el avance científico de la época. Por tanto, la
automatización empezó a tomar fuerza, en el preciso
momento en el cual se hace la transición de modelos
artesanales locales a grandes producciones en masa como las
de la compañía Ford, por ejemplo, con la salida a la venta de
su famoso modelo FORD T presentado en la Fig.2.
Figura.2 Producción en masa del automotor FORD T a finales de
1955.
La implementación de este estándar económico para la
fecha, logró definitivamente que el avance tecnológico
pasara de ser un campo investigativo pausado a
precisamente una necesidad fehaciente para la
producción en masa, por ello se ingresó, en lo que se
estipuló como la TERCERA REVOLUCIÓN
INDUSTRIAL, ya que principalmente el desarrollo a
finales de 1950 del transistor como se observa en la
Fig.3 marcó trascendentalmente el destino de la
tecnología puesto que este aparato electrónico hecho a
base de Silicio, generó a que se construyeran sistemas
que en principio eran electromecánicos (Característicos
de la primera y segunda revolución industrial) a tener
sistema electrónicos que ahora tenían una capacidad
más avanzada de procesamiento de datos con un tamaño
reducido.
Figura.3 Transistor evolucionado en tamaño, año 1973.
El transistor (Fig.3), evolucionó tan rápidamente, quizá
de una manera exponencial, que logró impactar
absolutamente todas las esferas: sociales, económicas,
culturales y precisamente la más importante de las
esferas: industrial. Dicho estudio de tan preciado
elemento llamado transistor, generó que un algebra ya
creada en el pasado, pero no ejecutada, tuviese cabida
gracias a la estructura del funcionamiento de este
elemento: dos estados, los cuales se veían representados
como un sistema numérico binario el cual generaría la
base y actual funcionamiento de absolutamente todos los
sistemas que se conocen como sistemas digitales.
En el campo específico de la industria y con el fervor de
la creación de múltiples sistemas electrónicos digitales
que facilitaran las tareas realizas en dicho campo,
empezaron a nacer múltiples tipos de controladores y
sistemas automatizados que lograron revolucionar aún
más lo logrado en esta TERCERA REVOLUCIÓN
INDUSTRIAL, puesto que para finales de los años
1970, compañías como General Electric, Allen-Bradley,
MODICON y entre otras, invirtieron gran parte de su
capital humano y recursos económicos para el desarrollo
de lo que posteriormente a mediados de la década de los
70, se le conocería como CONTROLADORES
LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC) como se muestra
en la Fig.4, los cuales son sistemas de cómputo
avanzado que a su interior poseen un cerebro principal
llamado microcontrolador que permite la conmutación
de múltiples elementos transistores nombrados
anteriormente, con la finalidad de permitir el ingreso de
señales indicadores (Provenientes de sensores), para
Estado cerrado (1) y
abierto (2)
(1) (2)
evaluar estados de proceso y así posteriormente poder
tomar acción sobre “actuadores”, (Bombas, motores,
relés, válvulas, etc.), para ejecutar acciones y así poder
finalmente controlar el rumbo de los procesos, lo que se
le denominó con gran fuerza en la época moderna la
Automatización de Procesos.
Figura.4 Controlador Lógico Programable (PLC) de la compañía
Siemens.
La automatización de procesos, se volvió un campo tan
estudiado y de tanta relevancia industrial, que todas las
universidades empezaron a ofertar múltiples programas
académicos, generalmente como Ingenierías
Electrónicas y/o Eléctricas con énfasis específico en la
vinculación de estudios de procesos industriales
usando la electrónica del PLC para automatizar dichos
procesos.
Esta área del conocimiento comprende un extenso rigor
académico que se concentra principalmente en unos ejes
temáticos claros como lo son:
1. Captura y adquisición de señales eléctricas.
2. Procesamiento de señales.
3. Diseño y creación de algoritmos de control
hechos a la medida.
4. Ejecución de los sistemas mediante protocolos
de comunicación
5. Evaluación de resultados del proceso.
En los cinco ámbitos anteriormente nombrados se puede
destacar, que la necesidad de lograr la automatización de
procesos también depende específicamente de entender
el proceso a automatizar.
Generalmente el proceso que se desea automatizar es un
proceso complejo, extenso y con múltiples variantes en
tiempo real. Todos los procesos industriales se
estandarizaron con el objetivo de lograr una “lectura”
común de estos para su fácil comprensión y
entendimiento.
Para lo anterior, se creó como norma internacional los
diagramas de Tuberías e Instrumentación (P&ID), los
cuales proporcional una perspectiva visual del proceso a
trabajar con claridad y se destaca principalmente los
siguientes aspectos:
a. Los detalles clave de las tuberías de
instrumentación.
b. Los esquemas de control y apagado.
c. Los requisitos de seguridad y normativa.
d. La información básica de arranque y operación.
La norma que específica el uso de los diagramas P&ID,
es la ISA-ANSI S5.1-1984 (R1992). En esta norma se
podrá encontrar con claridad, que significa cada uno de
los símbolos utilizados y precisamente su significativo
contextual para el propio entendimiento de los sistemas
de procesos hablados anteriormente.
A continuación, mediante la Fig.5, se presenta un
ejemplo de cómo opera un diagrama P&ID, dejando en
evidencia las dos perspectivas planteadas: una
representación real de un proceso simple, y por otro lado
su representación PI&D.
Figura.5 Descripción de proceso básico de intercambio y medición
de temperatura (Arriba) – Descripción del mismo proceso básico de
intercambio y medición de temperatura usando un P&ID.
Por lo tanto, y como se puede observar en detalle de la
Fig.5, es muy difícil interpretar múltiples procesos del
campo mediante dibujos de trazo a mano alzada,
mientras que haciendo uso de la norma y el estándar
declarado para los P&ID, se pasa a tener una simbología
más clara y simple de tratar, la cual precisamente genera
un impacto visual de sencillez y de la misma manera una
globalización en el entendimiento de las variables y
demás escenarios planteados dentro de un proceso.
En este documento se encuentra detallado el
acercamiento con la planta de Instrumentación
Didáctica de la Fundación Tecnológica Autónoma
del Pacífico que se encuentra en el laboratorio de
instrumentación electrónica de la FTAP; Como objetivo
del proyecto se plantea la realización de un control de
nivel implementado en la planta anteriormente descrita.
A continuación, se detallarán los procedimientos
realizados y los elementos utilizados para
lograr conocer concretamente como es el
comportamiento de la planta tratada.
Para llevar a cabo el proyecto de forma adecuada es
necesario contar con un equipo correctamente instruido
que cuente con conocimientos específicos en las
siguientes áreas:
Instrumentación.
Automatización de procesos.
Control de procesos.
Adquisición de datos en Matlab.
Plataforma de conexión al PLC.
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Inicialmente fue de vital importancia realizar la
identificación de todos los elementos pertenecientes en
la planta, dicha información se encuentra en el mapa
conceptual mostrado en el ANEXO.1 Fig.6. De esta
información se procedió a crear el diagrama PI&D de la
planta mostrado en el ANEXO 2 Fig.7.
Figura.8 Descripción de todos los procesos y elementos de
instrumentación de la planta de instrumentación de la FTAP.
De la misma manera en la Fig.8, se puede observar con
detalle, los procesos y elementos rotulados nuevamente
para generar una organización sobre la planta.
Como no se tiene la función de transferencia de la planta,
se debe realizar una caracterización de la misma en lazo
abierto, identificar todos los parámetros que componen
la función de transferencia y verificar por medio de las
tarjetas de adquisición de datos y el software Matlab que
la función característica de la planta encontrada de
forma empírica corresponde realmente al
comportamiento real de la planta.
III. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar un controlador para nivel en la planta de
instrumentación de la FTAP, utilizando como elemento
primerio de medición la electrosonda on-off y como
elemento final de control la motobomba MP-011 que se
observa con claridad en el ANEXO 2 Fig.7.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para garantizar el cumplimiento del objetivo general,
se plantearon los objetivos específicos que se detallan
a continuación:
Identificar cada uno de los elementos que
componen la planta, para conocer su
funcionamiento y parámetros de
funcionamiento de los mismos.
Implementar correctamente la configuración
de los componentes de la planta para
realizar la caracterización y el control en la
planta.
Aplicar diversas excitaciones a la planta en
lazo abierto para obtener la respuesta dinámica
de la misma.
Encontrar la función característica de la
planta.
IV. ADQUISICIÓN DE DATOS
Se segmento la parte a controlar que hace parte
expresamente la motobomba MP-011, y el tanque
COLUMNA 011, observe con atención que precisamente
se han llamado así directamente el proceso, es decir
como “011”, de ahora en adelante continuará dicho
nombre. Dicha segmentación se representa por la
siguiente Fig.9.
Figura.9 Descripción del proceso 011 a controlar.
Para observar con más detalle, el procedimiento de
adquisición de datos, se presenta el ANEXO 3. Fig.10
Para verificar la calibración se procede a realizar la toma
de datos del transmisor, tomando la tensión mostrada
por el transmisor vs los cambios de nivel cada 10%, esto
también se puede observar en el ANEXO 4. Fig.11.
Figura.12 Salida del transmisor con respeto al nivel de la columna
011.
Mediante la Fig.12, se presenta los aumentos graduales
medidos en el transmisor.
Cuando el transmisor se encuentra correctamente
calibrado, se procede a realizar la excitación del proceso
para capturar los datos correspondientes a la respuesta
del sistema (ver ANEXO 4. Fig.13), al graficar los
datos obtenidos de la respuesta del sistema y los datos
de excitación se obtuvo la gráfica mostrada en el
ANEXO 5 Fig.14.
V. IDENTIFIACIÓN DE LA PLANTA
Dado que la planta se caracteriza por ser un sistema
altamente integrador, se puede observar en el Anexo 5
que el sistema no se estabiliza, sino que la señal de
salida siempre está en aumento dado a la acumulación
en el nivel del tanque, por ello la obtención empírica del
modelo matemático del proceso no se puede realizar
bajo los métodos clásicos para caracterización empírica
de procesos.
Para obtener la función de transferencia de la planta se
utilizó el método gráfico para modelos integradores no
auto-reguladores, donde se establecen dos valores
constantes de referencia 𝑢1 y 𝑢2, los cuales deben
permanecer lo suficiente como para observar la
pendiente de la respuesta de la variable de proceso (PV)
en la gráfica. Es aconsejable que los valores de
referencia tengan una diferencia tal que la pendiente de
respuesta de cada una pueda ser fácilmente distinguida
de la otra.
Para obtener la ganancia 𝐾𝑝 es necesario conocer las
pendientes 𝑚1 y 𝑚2 de la respuesta PV y las constantes
𝑢1 y 𝑢2 (ver Anexo 5).
Para obtener el tiempo muerto 𝜃𝑝 se promedia la
diferencia de tiempo entre el cambio de escalón en la
referencia y el inicio de la respuesta de PV. Se debe
tener en cuenta nuevamente el tiempo de muestreo
mencionado anteriormente (ver Anexo 6).
Se obtiene como función de transferencia en segundos:
VI. CONTRON DEL SISTEMA POR HISTÉRESIS
El control por histéresis del sistema se logra entonces
con un análisis básico de la histéresis en general, así
como la siguiente Fig.16
Figura.16 Histéresis. Algoritmo basado a realizar el control.
Como se puede observar la idea general de la histéresis
será dependiendo del estado del sensor Electrosonda
mostrado en la Fig.17 , poder dejar un ciclo automático
de encendido y apagado de la bomba.
Figura.17 Histéresis. Algoritmo basado a realizar el control.
Como es de observar en la Fig.17, se tendrá literalmente
un electrodo para representar la tierra y dos para los
niveles circundantes necesarios. En este caso y por
arquitectura del sensor se usará dos niveles de ejecución
como set point. Estos dos electrodos entonces serán la
entrada al PLC XINJE mostrado en la Fig.18.
Figura.18 PLC XINJE XC series.
La programación del controlador se encuentra en el
ANEXO 7. Fig 19
Cabe aclarar que como lazo de realimentación de suave
Del sistema se utilizó un PID con valores
preestablecidos como retenedor de orden 0, así:
Figura.19 Configuración de los parámetros del PID para el PLC.
Se logró entonces comprobar la eficacia del sistema
planteado.
VII.CONCLUSIONES
Al ser un sistema altamente
integrador la respuesta obtenida
ante una excitación será en forma de
línea recta, con pendiente positiva si
el nivel en el tanque aumenta, como
es el caso de la planta que se está
manejando, o pendiente negativa si
el nivel en el tanque disminuye.
Es necesario utilizar un método
específico al momento de obtener
de manera empírica la función de
transferencia para un sistema
integrador no auto-regulador.
El método de caracterización
utilizado no requiere que la variable
de proceso llegue a un estado
estacionario.
Se encontró que las burbujas de aire
en la manguera que permite la
salida de agua de la columna
producía problemas de
funcionamiento en la planta, por lo
cual es necesario purgar las
mangueras cada vez que se realiza
la configuración inicial o cada vez
que la columna se encuentre
totalmente vacía, para esto es
necesario llenar totalmente de agua
la columna de manera que la
presión sea suficiente para expulsar
las burbujas de aire.
Para la selección del PLC que se va
a utilizar se deben tener en cuenta
tanto las entradas como las salidas,
análogas y digitales, requeridas para
controlar el sistema además de las
que se vayan a utilizar para
visualización de las variables que
influyen en el proceso.
Esta estructura de control mejora el
caso de perturbaciones en la
entrada, pero no afecta el
seguimiento de la señal de
referencia o a las perturbaciones a la
salida.
ANEXO 1. Fig.6. IDENTIFICACIÓN DE TODOS LOS ELEMENTOS DE LA PLANTA DE INSTRUMENTACIÓN DIDÁCTICA DE LA
FTAP
ANEXO 2. Fig.7. DIAGRAMA PI&D DE LA PLANTA DE INSTRUMENTACIÓN DIDÁCTICA DE LA FTAP
ANEXO 3. Fig.9. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO EN LAZO ABIERTO
ANEXO 4. Fig.13. EXCITACIÓN DEL SISTEMA ANTE DIFERENTES IMPULSOS
ANEXO 5. Fig.14. REPUESTA ANTE LA EXCITACIÓN DEL SISTEMA ANTE DIFERENTES IMPULSOS
ANEXO 6. Fig.15. REPUESTA ANTE LA EXCITACIÓN DEL SISTEMA ANTE DIFERENTES IMPULSOS MOSTRANDO EL TIEMPO
MUERTO ASOCIADO
ANEXO 7. Fig.19. PROGRAMA DE CONTROL DEL PLC XINJE