diseño y construcción de una interfaz de control de nivel, temperatura y flujo de agua en un...
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Diseño y construcción de una interfaz de control de nivel, temperatura y flujo de agua en un tanque para uso en prácticas de laboratorio
Esteban Richmond Salazar
Control automáticoConceptos
Proceso Por lotes Contínuos Semicontínuos
Variable controlada Variable manipulada Punto de consigna Disturbios
Entradas SalidasProceso
Control automáticoLazo retroalimentado
Acción de control
Punto de consigna
Salida del controlador
Error Variable manipulada
Variable de proceso
Disturbios
+ -
Sensor / Transmisor
Valor medido
Elemento actuador
Controlador
Proceso
Equipo para prácticas
Construcción del equipoVista frontal
ProcesoDiagrama de instrumentación
S
q1
q2
q3
S
PT31
FT21
FT11
FV21
TT31
LAL31
LAH31
FT31
FV31
P-31
V-31
H-31
Construcción del equipoVista frontal
Construcción del equipoVista trasera
Controlador
ControladorComputador Personal + Transmisor
V: Disponibilidad V: Bajo costo V: Flexibilidad V: Capacidad de almacenamiento V: Facilita el manejo de los datos D: Requiere software y hardware adicional
Transmisor
TransmisorBasado en microcontrolador AVR ATmega16
Económico Personalizable Hasta 16 MIPS a 16 MHz Memoria interna Oscilador RC interno 8 canales ADC de 10-bit 4 canales de PWM Valim. = (4,5 a 5,5) VDC
Voper = 0 a 5 VDC
TransmisorProgramador DAPA
PB0
PB5 (MOSI)
PB6 (MISO)
PB7 (SCK)
RESET
XTAL1
XTAL2
1
6
7
8
9
13
12
10
11
VCC
GND
ATmega16
IC1
J1
DB25
VCC
2
11
1
16
18
D0
Busy
Strobe
Init
GND
470
R4 220
R3470
R2
1,0k
R1
10k
R5
VCC
D1
GND
GND GND
C1
27pF+
C2
27pF+
GND
XT1
TransmisorCircuito de comunicación
PD0 (RXD)
PD1 (TXD)
PD2 (INT0)
14
15
16
10
11
VCC
GND
ATmega16
IC1
J1
DB9
+5 V
4
6
7
8
2
3
5
DTR
DSR
RTS
CTS
RD
TD
GND
C1 1,0μF+
16
VCC
+5 V
IC2
C2 1,0μF+
15
GND
C4 1,0μF+
2
6
12
10
11
1
3
4
5
7
13
8
V+
V-
R1OUT
T2IN
T1IN
C1+
C1-
C2+
C2-
T2OUT
R1IN
R2IN
MAX232
GND GND GND GND
GND
GND
C5 1,0μF+
C3 1,0μF+
GND
TransmisorPlaca impresa
TransmisorBERSAN-avr
0 1 2 3 4 5 6 7 GD
7 6 5 4 3 2 1 0 GD
Entradas Analógicas (0-5 VDC)
Entradas Discretas (Interruptores)
PWM3(10-bit)
PWM4 (8-bit)
Alimentación9 – 15 VDC
RS-232Prog.
LED ComunicaciónLED Encendido
RESETPWM2(10-bit)
PWM1(8-bit)
Instrumentos de medición y de acción
Medición de flujoMedidores de microturbina de rueda
McMillan 101-8 Salida altamente lineal Alta precisión Tiempo de respuesta corto Bajo costo 200 a 5000 ml/min 0 a 5 VDC
5 a 50 °C
Medición de temperaturaSensor basado en transistor
2N3904 (NPN de propósito general) Económico Alta linealidad Alta precisión Respuesta rápida Señal con buena potencia Libre de ruido
– +
Medición de nivelInterruptores de nivel magnéticos
Madison M8700-C Económico Diseño simple Indicación puntual Confiables Alarmas de nivel No funcionan para control continuo
Medición de nivelSensor basado en transmisor de presión
Cole-Parmer 68075-40 Diseño simple Alta linealidad Respuesta rápida Económico 0 a 3,5 mH2O 0,5 a 5,5 VDC
ActuadoresVálvulas de Solenoide Proporcionales (PSV)
Aalborg PSV5S-VA Flujo proporcional Bajo costo Corto tiempo de
respuesta 0 a 2850 ml/min 0 a 30 VDC
Acondicionamiento de señales
Acondicionamiento de señalesTemperatura
1
+8 V
L7805In Out
Com
U1
3
2
+U2
–
+8 V4,7 kΩ
R2
1,0 kΩ
R1
0-1,0 k
R4
10 k
R3
4,7 kΩ
R6
0-500 k
R5
330
R7
2N3904
+
–Q1
Vo
GND GND
GND
GND GND
1/4 LM324
Acondicionamiento de señalesNivel de líquido
+U1
–
10 kΩ
R4Vi
0-1,0 k
R2 Vo
+5 V
9,1 k
R1
1,0 k
R3
100 kΩ
R5
10 k
R6100 kΩ
R7
+U2
–
0-100 k
R8
10 k
R9
GND GND GND
1/4 LM324
1/4 LM324
Amplificación de potenciapara válvulas
Q1
TIP120
L1
75 Ω
R1
+12 V +30 V
+U1
–
VPWM
GND GND
D1Válvula PSV
1/4 LM324
Programas(Software)
SoftwareBERSAN-avr (Microcontrolador)
Administra la conversión A/D 6716 conversiones A/D por segundo @ 12 MHz 1,2 ms por cada 8 canales
Se comunica con la PC < 9 ms @ 57600 bps
Conversión D/A PWM 10-bit 0 a 5 VDC
No realiza cálculos para controlar el proceso
SoftwareBERSAN-pc (Interfaz gráfica para el usuario)
Adquisición de datos (registro) Realiza cálculos para controlar el proceso Modos
MANUALPID PosicionalPID Velocidad
Intervalo de muestreo variable
SoftwareBERSAN-pc
Resultados
ResultadosSensores y actuadores
Se comprueba la linealidad de todos los sensores.
Válvulas se traban ante cambios bruscos hacia los valores bajos (< 4 VDC), y siempre a los valores altos (> 21 VDC).
Se presenta ruido en el sensor de nivel a causa de las vibraciones del soporte.
ResultadosSeñal ruidosa
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,01
50
0
17
00
19
00
21
00
23
00
25
00
27
00
29
00
31
00
33
00
35
00
Muestra, i (adim.)
Niv
el m
ue
str
ea
do
, y
h (
%T
O)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
1500
1700
1900
2100
2300
2500
2700
2900
3100
3300
3500
Muestra, i (adim.)
Niv
el f
iltr
ado
, y
h,f (
%T
O)
ResultadosSeñal filtrada
ResultadosFiltrado de señales
Distintos métodos de filtrado
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
4200
4400
4600
4800
5000
5200
5400
5600
5800
6000
Muestra, i (adim.)
Niv
el (
%T
O)
Nivel muestreado
Cada Tc
Cada Ts
Filtro combinado
ResultadosFiltrado de señales
Distintos métodos de filtrado
20,00
22,00
24,00
26,00
28,00
30,00
32,00
34,00
36,00
38,00
40,00
200
400
600
800
1000
Muestra, i (adim.)
Niv
el (
%T
O)
Cada Tc
Cada Ts
Filtro combinado
ResultadosSimulación
Variable controlada
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Tiempo, t (s)
Niv
el d
e ag
ua, y
h (%
TO)
Consigna
Experimental
Simulado
ResultadosSimulación
Variable manipulada
0
10
20
30
40
50
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Tiempo, t (s)
Flu
jo d
e sa
lida
(%T
O)
Experimental
Simulado
Salida del controlador
0
20
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Tiempo, t (s)
Sa
lid
a d
el c
on
tro
lad
or, M
(%
CO
)
Experimental
Simulado
Conclusiones y recomendaciones finales
Conclusiones
Los flujos máximos reales son el 70% del valor de diseño (2850 ml/min), debido al trabamiento de las válvulas PSV.
El ruido causado por la bomba genera variaciones de ±5 % del valor instantáneo de la señal de nivel.
El atenuamiento de dicho ruido es adecuado para factores de filtro mayores a 0,90.
La temperatura de trabajo queda restringida al intervalo de 5 a 50 °C.
Conclusiones
El tiempo de muestreo y cálculo es menor a los 15 ms, operando a 57600 bps, pero conviene trabajar a intervalos mayores.
Las gráficas tras la simulación muestran un comportamiento que cumple con el modelo planteado, excepto por las no-linealidades de las válvulas.
Recomendaciones
Sustituir las válvulas PSV o darles mantenimiento a las actuales.
Acoplar el equipo con el Banco Hidráulico Gunt HM-150.
Instalar filtro analógico a la señal proveniente del sensor de presión.
Muchas gracias por su atención