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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA EL
CONTROL DE ENFRIAMIENTO DEL TANQUE DE AGUA FRÍA DE LA
PLANTA DE PROCESOS ANÁLOGOS (PPA)
VEGA CORREA JOSE LEONARDO
MEZA AGUILAR FABIAN ANTONIO
Tesis de Ingeniería en Control
Director:
Ing. Jorge Eduardo Porras Bohada
Co-Director:
Ing. M.Sc. Andrés Escobar Díaz
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad Tecnológica
Programa de Ingeniería en Control
Bogotá D.C., Colombia
2016
2
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA EL
CONTROL DE ENFRIAMIENTO DEL TANQUE DE AGUA FRÍA DE LA
PLANTA DE PROCESOS ANÁLOGOS (PPA)
VEGA CORREA JOSE LEONARDO
MEZA AGUILAR FABIAN ANTONIO
Tesis presentada al Programa de Ingeniería en Control de la Universidad Distrital
“Francisco José de Caldas” Facultad Tecnológica, para obtener el título de
Ingeniero en Control
Programa:
Ingeniería en Control
Director:
Ing. Jorge Eduardo Porras Bohada
Co-Director:
Ing. M.Sc. Andrés Escobar Díaz
Bogotá D.C., Colombia
2016
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HOJA DE ACEPTACIÓN
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA EL
CONTROL DE ENFRIAMIENTO DEL TANQUE DE AGUA FRÍA DE LA
PLANTA DE PROCESOS ANÁLOGOS (PPA)
Observaciones:
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
_____________________________
Director del Proyecto
Ing. Jorge Eduardo Porras Bohada
_____________________________
Co-Director del Proyecto
Ing. M.Sc. Andrés Escobar Díaz
_____________________________
Jurado
Ing. M.Sc. Alberto Delgadillo Gómez
Fecha de presentación: Mayo de 2016
4
Resumen
En el laboratorio de industrial de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad Tecnológica, se tienen equipos propios de automatización que no estaban
siendo utilizados por los estudiantes del proyecto curricular de tecnología en industrial e
ingeniería en producción.
Durante el desarrollo de la asignatura “Instrumentación de Procesos II” los estudiantes
de Ingeniería en Control deciden realizar el prototipo de una planta didáctica que recibe
el nombre de Planta de Procesos Análogos (PPA) con los equipos que dispone el
laboratorio para usarla como una herramienta teórico-práctica para simular procesos
industriales de automatización y control de variables físicas como (Nivel, Temperatura,
Flujo).
La planta cuenta con un panel de control, actuadores, tanques y conexiones hidráulicas
dentro de una estructura metálica. La planta no posee elementos para la medición de
temperatura y nivel, tampoco cuenta con sistemas de control para estas variables.
En este proyecto se seleccionaron e instalaron sensores de tipo industrial que
permitieron realizar un proceso de identificación experimental mediante el software
MATLAB® se obtuvo un modelo aproximado que caracteriza el comportamiento del
sistema térmico en el tanque de agua fría de la planta, se diseña un controlador PID por
el método del lugar de las raíces que es implementado en el controlador Lógico
Programable (PLC) marca Allen Bradley desde el software RSLogix5000, y con una
interfaz gráfica desarrollada en FactoryTalk View para la pantalla HMI se implementa un
sistema de supervisión y control y adquisición de datos (SCADA).
Palabras clave: Control Digital, Control de Temperatura, Sistema SCADA,
Intercambiador de Calor, Red Ethernet.
5
Abstract
In the laboratory of industrial of the University Francisco José de Caldas Faculty
Technological, have own equipment automation that were not being used by students of
the curricular project of technology in industrial and engineering in production.
During the development of the subject "Process Instrumentation II" Engineering Control
students decide to make the prototype of a didactic plant that receives the name of
Process Analogues Plant (PPA) with the equipment available in the laboratory for use as
a theoretical-practical tool to simulate industrial processes of automation and control of
physical variables as (level, temperature, flow).
The plant has a control panel, actuators, tanks, and hydraulic connections within a
metallic structure. The plant does not have elements for measurement of temperature
and level, nor account with control systems for these variables.
In this project were selected and installed sensors of industrial type that allowed to realize
a process of experimental identification by means of the software MATLAB ® there was
obtained an approximate model that characterizes the behavior of the thermal system in
the cold water tank of the plant, a controller PID is designed by the method of the place
of the roots that is implemented in the Programmable Logical controller (PLC) Allen
Bradley mark from the software RSLogix5000, and with a graphical interface developed
in FactoryTalk View for screen HMI is implemented a system of supervision and control
and data acquisition (SCADA).
Keywords: Digital Control, Temperature Control, SCADA Systems, Heat
Exchanger, Ethernet Network.
6
Tabla de contenido
Resumen ......................................................................................................................................... 4
Abstract ........................................................................................................................................... 5
Lista de Figuras .............................................................................................................................. 9
Lista de Tablas .............................................................................................................................. 13
1. Introducción .............................................................................................................................. 14
1.1 Planteamiento del Problema ............................................................................................... 15
1.2 Objetivos ............................................................................................................................. 16
1.2.1 Objetivo General........................................................................................................... 16
1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................................... 16
2. Marco de Referencia ................................................................................................................ 17
2.1 Antecedentes ...................................................................................................................... 17
2.1.1 Prototipo para control automático de nivel y caudal de líquidos ................................. 17
2.1.2 Diseño, implementación y validación de un controlador PID autosintonizado ........... 18
2.1.3 Desarrollo del sistema de control de nivel para un tanque surtidor de agua y
almacenador de energía térmica en procesos de lavado y tintorería .................................. 18
2.2 Marco Teórico ..................................................................................................................... 19
2.2.1 Sensor de temperatura RTD ........................................................................................ 19
2.2.2 Sensor de temperatura termistor ................................................................................. 21
2.2.3 Modelo de sistemas ..................................................................................................... 22
2.2.3.1 Tipos de modelos ...................................................................................................... 22
2.2.3.2 Identificación de sistemas ......................................................................................... 23
2.2.3.3 Modelos paramétricos ............................................................................................... 24
2.2.3.4 Tipos de modelos paramétricos ................................................................................ 25
2.2.4 Intercambiador de calor................................................................................................ 27
2.2.4.1 Análisis del intercambiador de calor ......................................................................... 28
2.2.4.2 Método de la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD) ........................ 30
2.2.5 Norma ISA 88 en procesos de producción .................................................................. 31
2.2.5.1 Procedimiento del modelo ISA 88............................................................................. 32
3. Metodología .............................................................................................................................. 34
4. Ingeniería Conceptual ............................................................................................................... 34
4.1 Requerimientos ................................................................................................................... 34
4.2 Alcance ................................................................................................................................ 35
7
4.3 Descripción preliminar del proceso..................................................................................... 35
4.4 Normatividad ....................................................................................................................... 36
4.5 Diagrama de flujo de proceso (PFD) .................................................................................. 36
5. Ingeniería Básica ...................................................................................................................... 37
5.1 Descripción general de la planta ........................................................................................ 37
5.2 Descripción del proceso ...................................................................................................... 39
5.3 Descripción de instrumentación y equipos ......................................................................... 41
5.4 Descripción del sistema de control ..................................................................................... 44
6. Ingeniería en Detalle ................................................................................................................. 46
6.1 Selección sensores de temperatura ................................................................................... 46
6.1.1 Sensor RTD .................................................................................................................. 46
6.1.2 Linealización sensor RTD PT100 4-20 mA.................................................................. 49
6.1.3 Características estáticas sensor PT100 ...................................................................... 50
6.1.4 Sensor termistor ........................................................................................................... 53
6.1.5 Diseño del transmisor de temperatura 0-10 VDC........................................................ 54
6.1.6 Características estáticas sensor termistor ................................................................... 57
6.2 Instalación sensores ........................................................................................................... 58
6.2.1 Sensor PT100 y sensores de nivel .............................................................................. 58
6.2.2 Sensores de temperatura termistor ............................................................................. 59
6.3 Modelo ................................................................................................................................. 60
6.3.1 Modelo sensor RTD ..................................................................................................... 60
6.3.2 Modelo sensor termistor ............................................................................................... 61
6.3.3 Modelo bomba .............................................................................................................. 62
6.3.4 Modelo intercambiador de calor ................................................................................... 67
6.3.4.1 Cálculo de la eficiencia del intercambiador - Método NTU ...................................... 73
6.4 Experimento de identificación ............................................................................................. 75
6.4.1 Diseño del controlador PID por el lugar geométrico de las raíces .............................. 78
6.4.2 Implementación del controlador en el PLC .................................................................. 80
6.4.3 Resultados controlador PID ......................................................................................... 81
6.5 Arquitectura del sistema SCADA ........................................................................................ 83
6.5.1 Creación de la red Ethernet ......................................................................................... 84
6.5.1.1 Configuración del computador .................................................................................. 84
6.5.1.2 Configuración de RSLinx Classic .............................................................................. 88
6.5.1.3 Configuración IP del computador .............................................................................. 89
6.5.1.4 Configuración IP de la HMI ....................................................................................... 89
8
6.5.1.5 Configuración IP del PLC .......................................................................................... 90
6.5.1.6 Configuración IP del variador .................................................................................... 90
6.5.1.7. Configuración del variador en RSLogix5000 ........................................................... 91
6.5.1.8 Configuración del módulo análogo en RSLogix5000 ............................................... 94
6.6 Códigos realizados en RSLogix5000 ................................................................................. 96
6.6.1 Lectura de los datos de los sensores .......................................................................... 96
6.6.2 Subrutinas .................................................................................................................... 99
6.6.2.1 Inicializar Variables ................................................................................................... 99
6.6.2.2 Select ....................................................................................................................... 100
6.6.2.3 Modo Manual ........................................................................................................... 101
6.6.2.4 Alarmas.................................................................................................................... 101
6.6.2.5 Control On-Off ......................................................................................................... 102
6.6.2.6 Resultado Control On-Off ........................................................................................ 103
6.7 Diseño de interfaz gráfica de usuario ............................................................................... 103
6.8 FactoryTalk View ............................................................................................................... 105
6.8.1 Alarmas en FactoryTalk View .................................................................................... 105
6.8.2 Pantallas en FactoryTalk View ................................................................................... 108
6.8.3 Descripción de las ventanas ...................................................................................... 109
6.8.3.1 Ventana Principal .................................................................................................... 109
6.8.3.2 Ventana Tanque de Suministro .............................................................................. 110
6.8.3.3 Ventana Gráfica RTD .............................................................................................. 111
6.8.3.4 Ventana PID ............................................................................................................ 111
6.8.3.5 Ventana PPA MANUAL ........................................................................................... 112
6.8.3.6 Ventana Variador .................................................................................................... 112
7. Conclusiones .......................................................................................................................... 114
8. Recomendaciones .................................................................................................................. 115
9. Bibliografía .............................................................................................................................. 116
10. Anexos .................................................................................................................................. 120
10.1 Manual de Prácticas de Laboratorio ............................................................................... 120
10.2 Cámara Termográfica FLIR i7 ........................................................................................ 133
9
Lista de Figuras
Fig. 1 Arquitectura del sistema ..................................................................................................... 19
Fig. 2 Curvas de resistencia relativa de varios metales vs temperatura ..................................... 20
Fig. 3 Curva resistencia vs temperatura termistor NTC y PTC.................................................... 21
Fig. 4 Proceso de identificación .................................................................................................... 24
Fig. 5 Diagrama de bloques de las estructuras de la tabla 1....................................................... 27
Fig. 6 Radiador típico de un automóvil ......................................................................................... 28
Fig. 7 Intercambiador de calor (radiador) de flujo cruzado no mezclado .................................... 28
Fig. 8 Flujo cruzado de un solo paso con los dos fluidos de flujo no mezclado .......................... 31
Fig. 9 Estructura básica de la norma ISA 88 ................................................................................ 32
Fig. 10 Estructura fundamental en proyectos de ingeniería ........................................................ 34
Fig. 11 Diagrama de flujo de proceso de la planta ...................................................................... 37
Fig. 12 Planta de procesos análogos ........................................................................................... 38
Fig. 13 Diagrama PI&D de la planta ............................................................................................. 39
Fig. 14 Modelo físico de la planta de acuerdo a la norma ISA88 ................................................ 40
Fig. 15 Diagrama de bloques de sistema de control PID ............................................................ 45
Fig. 16 Diagrama de bloques de sistema de control On-Off........................................................ 45
Fig. 17 RTD PT100 ....................................................................................................................... 46
Fig. 18 Transmisor de temperatura para la RTD PT100 ............................................................. 48
Fig. 19 Gráfica corriente vs temperatura RTD ............................................................................. 50
Fig. 20 Valor crítico de t para los grados de libertad y área en una cola .................................... 52
Fig. 21 Termistor NTC de 50 KΩ .................................................................................................. 53
Fig. 22 Gráfica resistencia vs temperatura del termistor ............................................................. 54
Fig. 23 Gráfica resistencia vs temperatura termistor linealizado ................................................. 55
Fig. 24 Circuito de medición termistor .......................................................................................... 56
Fig. 25 Gráfica temperatura vs voltaje del termistor NTC ............................................................ 57
Fig. 26 Esquemático transmisor de temperatura termistor NTC ................................................. 57
Fig. 27 Circuito impreso transmisor de temperatura termistor NTC ............................................ 57
Fig. 28 Instalación sensor RTD PT100 y sensores de nivel ........................................................ 59
Fig. 29 Instalación termistor a la entrada del intercambiador de calor ........................................ 59
Fig. 30 Instalación termistor a la salida del intercambiador de calor ........................................... 60
Fig. 31 Diagrama de bloques sensor RTD ................................................................................... 60
Fig. 32 Diagrama de bloques en simulink sensor RTD................................................................ 61
10
Fig. 33 Diagrama de bloques sensor Termistor ........................................................................... 61
Fig. 34 Diagrama de bloques en simulink sensor termistor ......................................................... 62
Fig. 35 Diagrama de bloques bomba ........................................................................................... 62
Fig. 36 Modelo dinámico simple para una bomba ....................................................................... 63
Fig. 37 Probeta capacidad 1000ml ............................................................................................... 63
Fig. 38 Bloque en simulink para el modelo bomba ...................................................................... 64
Fig. 39 Rampa aceleración desaceleración generado por el variador de velocidad .................. 65
Fig. 40 Datos de tiempo rampa aceleración y desaceleración programada en RSLogix5000 ... 65
Fig. 41 Gráfica respuesta de un sistema de primer orden ........................................................... 66
Fig. 42 Diagrama de bloques en simulink modelo bomba con retardo ....................................... 67
Fig. 43 Intercambiador de Calor (Radiador) ................................................................................. 67
Fig. 44 TH-1 Relative Humidity / Temperature Probe Style Meter .............................................. 68
Fig. 45 Instrumento para medir velocidad del viento ................................................................... 68
Fig. 46 Registro de temperatura del aire a la entrada del radiador ............................................. 69
Fig. 47 Registro de temperatura del aire a la salida del radiador ................................................ 69
Fig. 48 Registro de velocidad del aire a la entrada del radiador ................................................. 70
Fig. 49 Registro de velocidad del aire a la salida del radiador .................................................... 70
Fig. 50 Factor de corrección para el radiador .............................................................................. 72
Fig. 51 Eficiencia del radiador de automóvil ................................................................................ 75
Fig. 52 Metodología de experimento de identificación................................................................. 76
Fig. 53 Curva de reacción de proceso planta en lazo abierto ..................................................... 77
Fig. 54 Identificación por System Identification Tool de MATLAB® ............................................ 77
Fig. 55 Porcentaje de aproximación modelos .............................................................................. 78
Fig. 56 Configuración de controladores en Sisotool de MATLAB® ............................................. 79
Fig. 57 Lugar de las raíces de la planta en lazo cerrado ............................................................. 79
Fig. 58 Controlador PID implementado en ecuación en diferencias ........................................... 81
Fig. 59 Variable de proceso inicial (40 ºC) vs Set Point (33 ºC) .................................................. 82
Fig. 60 Variable de proceso inicial (45 ºC) vs Set Point (38 ºC) .................................................. 82
Fig. 61 Diagrama de bloques general de un sistema SCADA ..................................................... 83
Fig. 62 Arquitectura sistema SCADA tanque agua fría de la PPA .............................................. 84
Fig. 63 Red de comunicación Ethernet de la planta .................................................................... 85
Fig. 64 Paso 1. Abrir el panel de control ...................................................................................... 86
Fig. 65 Paso 2. Seleccionar redes e internet ............................................................................... 86
Fig. 66 Paso 3. Abrir el centro de redes y recursos compartidos ................................................ 86
11
Fig. 67 Paso 4. Cambiar la configuración del adaptador de red ................................................. 87
Fig. 68 Paso 5. Configuración de red de área local ..................................................................... 87
Fig. 69 Paso 6. Selección Protocolo de Internet TCP/IP ............................................................. 87
Fig. 70 Paso 7. Asignación de dirección IP del computador ....................................................... 88
Fig. 71 Pantalla inicial de RSLinx para configurar las IP’s de la red ........................................... 88
Fig. 72 Red Ethernet creada en RSLinx....................................................................................... 89
Fig. 73 Asignación de dirección IP para el computador en RSLinx............................................. 89
Fig. 74 Asignación de dirección IP para la HMI ........................................................................... 89
Fig. 75 Asignación de dirección IP para el PLC ........................................................................... 90
Fig. 76 Asignación de dirección IP para el variador de velocidad ............................................... 90
Fig. 77 Red de comunicación ethernet en RSLinx de la planta ................................................... 90
Fig. 78 Selección de la MAC del módulo de comunicación del variador de velocidad ............... 91
Fig. 79 Configuración IP variador PowerFlex40 en el programa “BOOTP/DHCP” ..................... 91
Fig. 80 Selección variador PowerFlex40 en RSLogix5000 .......................................................... 92
Fig. 81 Configuración dirección IP del variador en RSLogix5000 ............................................... 92
Fig. 82 Desactivar “Unicast Connection Over EtherNet/IP” ......................................................... 93
Fig. 83 Conectar el variador por medio del software RSLogix5000 ............................................ 93
Fig. 84 Configuración final del variador de velocidad .................................................................. 94
Fig. 85 Agregar modulo análogo al proyecto en RSLogix5000 ................................................... 94
Fig. 86 Selección del módulo análogo 1769-IF4 .......................................................................... 95
Fig. 87 Configuración módulo análogo ......................................................................................... 95
Fig. 88 Tareas periódicas para la lectura de los sensores de temperatura ................................ 97
Fig. 89 Programación en Ladder de lectura del módulo análogo RTD ....................................... 97
Fig. 90 Programación en texto estructurado para linealización sensor PT100 ........................... 97
Fig. 91 Programación en Ladder de lectura de módulo análogo para los termistores ............... 98
Fig. 92 Programación en texto estructurado para la linealización de los termistores ................. 98
Fig. 93 Rutinas creadas en el programa principal ....................................................................... 99
Fig. 94 Llamado subrutinas en Ladder del “Main Routine” .......................................................... 99
Fig. 95 Subrutina inicializar variables en texto estructurado ..................................................... 100
Fig. 96 Subrutina de acceso a rutina manual o rutina PID en grafcet ....................................... 100
Fig. 97 Subrutina Modo Manual en Ladder ................................................................................ 101
Fig. 98 Subrutina de alamas en texto estructurado para el tanque de suministro .................... 102
Fig. 99 Subrutina Control On-Off ................................................................................................ 102
Fig. 100 Implementación Controlador On-Off ............................................................................ 103
12
Fig. 101 Ejemplo del enlace de variables del PLC y objetos de la pantalla HMI ...................... 105
Fig. 102 Configuración de alarmas ............................................................................................ 106
Fig. 103 Selección de variables de activación de alarmas desde el PLC ................................. 106
Fig. 104 Mensaje alarma de nivel bajo ....................................................................................... 107
Fig. 105 Mensaje alarma de nivel alto ........................................................................................ 107
Fig. 106 Configuración valor del Trigger para las alarmas ........................................................ 108
Fig. 107 Alarma de nivel alto tanque de suministro ................................................................... 108
Fig. 108 Alarma de nivel bajo tanque de suministro .................................................................. 108
Fig. 109 Pantallas creadas en la HMI ........................................................................................ 109
Fig. 110 Pantalla principal interfaz HMI...................................................................................... 110
Fig. 111 Tanque de suministro de la planta ............................................................................... 111
Fig. 112 Pantalla de tendencia del sensor RTD......................................................................... 111
Fig. 113 Pantalla de respuesta del controlador PID .................................................................. 112
Fig. 114 Pantalla de manipulación manual de componentes de la PPA ................................... 112
Fig. 115 Pantalla para cambiar parámetros del variador de velocidad ..................................... 113
Fig. 116 Cámara termográfica FLIR i7 ....................................................................................... 133
Fig. 117 Certificado de calibración cámara termográfica FLIR i7 .............................................. 133
13
Lista de Tablas
Tabla 1 Diferentes estructuras de modelos paramétricos ........................................................... 26
Tabla 2 Equipos iniciales del proyecto ......................................................................................... 34
Tabla 3 Instrumentación y equipos de la PPA ............................................................................. 41
Tabla 4 Clasificación y tolerancias de las sondas de resistencia IEC 60751 ............................. 47
Tabla 5 Especificaciones sensor PT100 ...................................................................................... 47
Tabla 6 Especificaciones transmisor de temperatura .................................................................. 48
Tabla 7 Datos corriente vs temperatura RTD .............................................................................. 49
Tabla 8 Datos tomados para la caracterización del sensor RTD ................................................ 50
Tabla 9 Resultado de características estáticas del sensor PT100 .............................................. 52
Tabla 10 Comportamiento característico termistor NTC ............................................................. 53
Tabla 11 Sensor linealizado ......................................................................................................... 55
Tabla 12 Temperatura vs Voltaje ................................................................................................. 56
Tabla 13 Datos tomados para la caracterización del sensor termistor ....................................... 58
Tabla 14 Resultado de características estáticas del sensor Termistor NTC .............................. 58
Tabla 15 Datos Frecuencia vs Caudal de la bomba .................................................................... 64
Tabla 16 Especificaciones Instrumento AMPROBE TH-1 ........................................................... 68
Tabla 17 Especificaciones anemómetro ...................................................................................... 69
Tabla 18 Resultados de caracterización del intercambiador de calor ......................................... 70
Tabla 19 Orden de las IPs en la red Ethernet .............................................................................. 85
Tabla 20 Lógica de estados de alarma para el tanque de suministro ....................................... 101
Tabla 21 Colores de estado utilizados para la programación HMI ............................................ 104
Tabla 22 Especificaciones cámara termográfica FLIR i7 .......................................................... 134
14
1. Introducción
La automatización desempeña un papel fundamental en la industria para mejorar la
competitiva por medio de elementos y dispositivos tecnológicos que aseguren un control
y desempeño óptimo para aumentar la productividad, reducir costos y tiempos de
producción y genere seguridad en la realización de procesos industriales para los
trabajadores y consumidores.
Es por esto que el Ingeniero en Control está en la capacidad de analizar, reconocer,
modificar, diseñar sistemas aplicando conceptos de instrumentación, control y
automatización en entornos industriales.
Este proyecto se desarrolló para permitir a los estudiantes del proyecto curricular de
Ingeniería en Control y carreras afines tener un prototipo a pequeña escala de un proceso
industrial con la intención de manipular variables físicas y/o químicas.
Para tal fin se implementó un sistema de control PID en el PLC CompactLogix L23E-
QB1B y con una interfaz gráfica en la pantalla HMI, la cual permite supervisar la variable
de proceso temperatura en el tanque de agua fría de la planta.
Para el uso de correcto de la planta junto con el sistema de control de temperatura, se
encuentra el manual de prácticas (Ver Anexo 10.1) propuesto como guía para el
desarrollo de prácticas de laboratorio por parte del personal del laboratorio, estudiantes
y docentes de la facultad tecnológica y en las diferentes asignaturas de los diferentes
proyectos curriculares que intervengan con la automatización y control de procesos
industriales.
15
1.1 Planteamiento del Problema
La planta de procesos análogos (PPA) ubicada en el laboratorio de industrial de la
Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, no cuenta con
ningún tipo de sensor o de un algoritmo de control o de interfaz gráfica que permita
desarrollar prácticas de laboratorio en las asignaturas de instrumentación, control y
automatización.
Con el desarrollo de esta investigación se realizó la adquisición e instalación de sensores
de temperatura para el tanque de agua fría de la planta, para luego obtener un modelo
dinámico aproximado del sistema térmico a partir de un experimento de identificación
con señal paso y el diseño de algoritmos de control PID y On-Off en el PLC para la
supervisión y control en la pantalla HMI del proceso térmico.
Existen limitantes en el proyecto debido a la falta de diferentes sensores de flujo y de
presión en la planta para así facilitar la obtención de más datos que sean de ayuda para
obtener un modelo matemático más exacto del sistema.
16
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo General
Diseñar e implementar un sistema SCADA con controlador PID en el PLC Allen
Bradley para el enfriamiento del tanque de agua fría de la PPA.
1.2.2 Objetivos Específicos
Diseñar un experimento de identificación de las características y comportamiento
del sistema para establecer el modelo dinámico aproximado del tanque de agua
fría de la PPA.
Seleccionar e implementar sensores para la medición de temperatura y de nivel.
Diseñar e instalar los sistemas de acondicionamiento para los sensores.
Implementar un controlador PID de temperatura para el tanque de agua fría en el
PLC.
Implementar un controlador On-Off de nivel máximo del tanque de agua fría en el
PLC.
Diseñar e implementar un sistema SCADA a través de la interfaz HMI Allen
Bradley.
Elaborar una práctica de laboratorio para comprobar el funcionamiento de la planta.
17
2. Marco de Referencia
2.1 Antecedentes
La planta ha sido desarrollada por estudiantes de Ingeniería en Control con fines
pedagógicos en la enseñanza de acciones de control, instrumentación, redes industriales
con el fin de ayudar a mejorar los equipos de laboratorio existentes en los distintos
proyectos curriculares de la facultad tecnológica.
Es una planta que necesita mejoramiento continuo en adquisición de instrumentación
(sensores y actuadores) para que la planta sea más robusta y puede aprovecharse todo
su potencial.
A continuación se presentan algunos antecedentes relacionados con el proyecto:
2.1.1 Prototipo para control automático de nivel y caudal de líquidos
Los estudiantes de Ingeniería mecánica de la UPS (Universidad Politécnica Salesiana,
Ecuador), Robinson Molina, Cesar Machado y el docente Joseph Vergara, elaboraron el
prototipo para observar y controlar las variables de nivel y de flujo mediante una interfaz
hombre-máquina (HMI).
Se empleó un PLC Siemens S7200 para controlar el nivel de líquido en un tanque para
ensayo o medición con diámetro interno 161 mm, altura de 1100mm y una capacidad de
20 litros. Se usó un transmisor de presión Endress Hausser modelo PMC131-A32F1D10,
un transmisor de flujo marca Kobold modelo DRS-0350 y una bomba centrifuga de ½ HP
Thebe TH16AL.
El transmisor de presión envía una señal para la medición de caudal se realiza en forma
de pulsos para esto se utiliza el transmisor de caudal y la entrada de contador de pulsos
rápidos del PLC, la calibración del transmisor se realizó en base a tiempo de llenado de
volumen y comparando el resultado con el promedio de flujo resultante, para así controlar
el apagado y/o encendido del motor de la bomba centrifuga con un PID Digital. El PLC
permite comunicarse con el programa Intouch (GUI) y permite enviar datos a Excel por
medio de tablas *.csv para analizar resultados con las gráfica generadas por la Interfaz
Gráfica de Usuario.[1]
18
2.1.2 Diseño, implementación y validación de un controlador PID autosintonizado
Los estudiantes de ingeniería eléctrica de la UTP (Universidad Tecnológica De Pereira,
Colombia), Leonardo Lozano Valencia, Luis Rodríguez García y Didier Giraldo Buitrago
diseñaron un controlador PID basado en el método de mínimos cuadrados para estimar
los parámetros de la planta y la reubicación de los polos.
El diseño propuesto es simulado en un computador análogo COMDYNA GP-6 para
describir la dinámica del sistema de acuerdo a las ecuaciones de diferencias de hasta
orden 4. Por medio del método de mínimos cuadrados recursivo se obtiene o estiman los
parámetros del sistema en función de una matriz de ganancia, un vector de regresión y
un error de estimación.
Los coeficientes del controlador PID se investigan por el método de discretización de
acuerdo a la función de transferencia para el sistema en lazo cerrado.
Para sintonizar el controlador se usó el método de la respuesta al escalón desarrollado
por Ziegler-Nichols para alcanzar una respuesta satisfactoria con un tiempo de muestreo
de 200 milisegundos a una señal de referencia propuesta se realizaron todas las
simulaciones en el computador.[2]
2.1.3 Desarrollo del sistema de control de nivel para un tanque surtidor de agua y
almacenador de energía térmica en procesos de lavado y tintorería
La estudiante de Ingeniería Electrónica Sandra Milena Arango Restrepo de la
Universidad Pontificia Bolivariana (Medellín, Colombia) desarrollo el proyecto con el
objetivo de diseñar un sistema de control e instalar elementos como válvulas, relés y
sensores, esto con el objetivo de conservar la energía térmica y almacenar el agua de
recuperado y la que ha sido calentada por medio del serpentín en el tanque alimentador
de las máquinas de lavado y teñido textil, para su ejecución fue necesario realizar una
correspondiente identificación de la instrumentación, de los equipos que serán útiles y
del montaje para el desarrollo del proyecto.
19
Fig. 1 Arquitectura del sistema
En la Fig. 1 se muestra que el sistema no aprovecha los recursos de manera pertinente,
por lo tanto es necesario implementar las acciones de control pertinentes para mejorar
el proceso en cuanto a funcionalidad y reducción de gastos, también se instaló un tablero
de control donde se visualizó estado actual de sensores y bombas.
El PLC toma los datos de nivel, presión y temperatura, los procesa y controla las válvulas
y bombas del sistema para la conservación de temperatura y la recuperación del agua
para el proceso de lavado y teñido textil.[3]
2.2 Marco Teórico
2.2.1 Sensor de temperatura RTD
La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de la variación de
resistencia en función de la temperatura, que es propia del elemento de detección.
El elemento consiste, usualmente, en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor
adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de
vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado
"coeficiente de temperatura de resistencia" que expresa, a una temperatura especificada,
la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su
temperatura.
La relación entre estos factores puede verse en la siguiente expresión lineal:
1t oR R t (1)
20
En donde:
oR Resistencia en ohmios a 0 ºC
tR Resistencia en ohmios a t ºC
Coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0 ºC y 100 ºC es de
0,003850 ºC en la escala práctica de temperaturas internacional (IPTS-68) [4]
En la Fig. 2 pueden verse las curvas de resistencia relativa de varios metales en función
de la temperatura:
Fig. 2 Curvas de resistencia relativa de varios metales vs temperatura
Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes
características:
Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el
instrumento de medida será muy sensible.
Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada
tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad).
Relación lineal resistencia-temperatura.
Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado
y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños
pequeños (rapidez de respuesta).
Estabilidad de las características durante la vida útil del material.[5]
21
2.2.2 Sensor de temperatura termistor
Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de
resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas, y
extremadamente grandes, para los cambios, relativamente pequeños, en la temperatura.
Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre,
magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas y en discos.
Los termistores también se denominan NTC (Negative Temperature Coeficient -
coeficiente de temperatura negativo) existiendo casos especiales de coeficiente positivo
cuando su resistencia aumenta con la temperatura (PTC - Positive Temperature
Coeficient).
La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión.
1 1
t oT T
t oR R e
(2)
En donde:
tR Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta
tT
oR Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia
oT
Constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas.
En la Fig. 3 puede verse la curva característica resistencia-temperatura de termistores.
Fig. 3 Curva resistencia vs temperatura termistor NTC y PTC
En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales.
Al tener un alto coeficiente de temperatura, poseen una mayor sensibilidad y permiten
22
incluso intervalos de medida de 1 °C (span). Son de pequeño tamaño y su tiempo de
respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor, variando de 0,5
a 10 segundos.[5]
2.2.3 Modelo de sistemas
Cuando se hace necesario conocer el comportamiento de un sistema en unas
determinadas condiciones y ante unas determinadas entradas, se puede recurrir a la
experimentación sobre dicho sistema y a la observación de sus salidas. Sin embargo, en
muchos casos la experimentación puede resultar compleja o incluso imposible de llevar
a cabo, lo que hace necesario trabajar con algún tipo de representación que se aproxime
a la realidad, y a la que se conoce como modelo.
2.2.3.1 Tipos de modelos
Los modelos de sistemas físicos pueden ser de muy diversos tipos. Una clasificación, en
función del grado de formalismo matemático que poseen, es la siguiente:
Modelos mentales, intuitivos o verbales: Estos modelos carecen de formalismo
matemático. Para conducir un coche, por ejemplo, se requiere un modelo mental
o intuitivo sobre el efecto que produce el movimiento del volante, pero no es
necesario caracterizar dicho efecto mediante ecuaciones matemáticas exactas.
Modelos no paramétricos: Muchos sistemas quedan perfectamente
caracterizados mediante un gráfico o tabla que describa sus propiedades
dinámicas mediante un número no finito de parámetros. Por ejemplo, un sistema
lineal queda definido mediante su respuesta al impulso o al escalón, o bien
mediante su respuesta en frecuencia.
Modelos paramétricos o matemáticos: Para aplicaciones más avanzadas,
puede ser necesario utilizar modelos que describan las relaciones entre las
variables del sistema mediante expresiones matemáticas como pueden ser
ecuaciones diferenciales (para sistemas continuos) o en diferencias (para
sistemas discretos).[6]
23
2.2.3.2 Identificación de sistemas
Se entiende por identificación de sistemas a la obtención de forma experimental de un
modelo que reproduzca con suficiente exactitud, para los fines deseados, las
características dinámicas del proceso objeto de estudio. El proceso de identificación
comprende los siguientes pasos:
1. Obtención de datos de entrada - salida: Para ello se debe excitar el sistema
mediante la aplicación de una señal de entrada y registrar la evolución de sus entradas
y salidas durante un intervalo de tiempo.
2. Tratamiento previo de los datos registrados: Los datos registrados están
generalmente acompañados de ruidos indeseados u otro tipo de imperfecciones que
puede ser necesario corregir antes de iniciar la identificación del modelo.
3. Elección de la estructura del modelo: Si el modelo que se desea obtener es un
modelo paramétrico, el primer paso es determinar la estructura deseada para dicho
modelo.
4. Obtención de los parámetros del modelo: Se procede a la estimación de los
parámetros de la estructura que mejor ajustan la respuesta del modelo a los datos de
entrada - salida obtenidos experimentalmente.
5. Validación del modelo: El último paso consiste en determinar si el modelo obtenido
satisface el grado de exactitud requerido para la aplicación en cuestión.
24
Fig. 4 Proceso de identificación
Dependiendo de la causa estimada, deberá repetirse el proceso de identificación desde
el punto correspondiente [6]-[7]. Por tanto, el proceso de identificación es un proceso
iterativo, cuyos pasos pueden observarse en el organigrama de la Fig. 4
2.2.3.3 Modelos paramétricos
Los modelos paramétricos están descritos mediante una estructura y un número finito de
parámetros que relacionan las señales de interés del sistema (entradas, salida y
perturbaciones). En muchas ocasiones es necesario realizar la identificación de un
sistema del cual no se tiene ningún tipo de conocimiento previo.
Generalmente estos modelos permiten describir el comportamiento de cualquier sistema
lineal. La dificultad radica en la elección del tipo de modelo (orden del mismo, número de
parámetros, etc.) que se ajuste satisfactoriamente a los datos de entrada - salida
obtenidos experimentalmente.
25
2.2.3.4 Tipos de modelos paramétricos
Generalmente los modelos paramétricos se describen en el dominio discreto, puesto que
los datos que sirven de base para la identificación se obtienen por muestreo. En el caso
de que se requiera un modelo continuo, siempre es posible realizar una transformación
del dominio discreto al continuo.
La expresión más general de un modelo discreto es del tipo (3):
s t t w t (3)
Donde w t es el término que modela la salida debida a las perturbaciones, t la
salida debida a la entrada, y s t la salida medible del sistema. Cada uno de estos
términos puede desarrollarse de la siguiente forma:
1,t G q u t (4)
1,w t H q e t (5)
1,s t A q y t (6)
Donde 1q es el operador retardo, representa un vector de parámetros, u t y e t
son la entrada al sistema y el ruido de entrada al mismo respectivamente, y t es la
salida de interés del sistema (que puede no coincidir con la salida medible).
Tanto 1,G q como 1,H q
son cocientes de polinomios del tipo:
1 111 21
111
...,
1 ...
nk nk nk nb
nb
nf
nf
b q b q b qB qG q
f q f qF q
(7)
1111
111
1 ...,
1 ...
nc
nc
nd
nd
c q c qC qH q
d q d qD q
(8)
Y 1,A q un polinomio del tipo:
1 1
1, 1 ... na
naA q a q a q (9)
26
El vector de parámetros contiene los coeficientes , , ,i i i i
a b c d y i
f de las funciones de
transferencia anteriores. La estructura genérica de estos modelos es por tanto:
1 1 1, ,A q y t G q u t H q e t (10)
1 1
1
1 1
B q C qA q y t u t e t
F q D q
(11)
Para elegir la estructura de este tipo de modelos hay que determinar el orden de cada
uno de los polinomios anteriores, es decir na, nb, nc, nd, nf y el retardo entre la entrada
y la salida nk. Una vez elegidos estos valores, sólo queda determinar el vector de
coeficientes , , ,d ,i i i i i
a b c f que hacen que el modelo se ajuste a los datos de entrada -
salida del sistema real.
En muchos casos, alguno de los polinomios anteriores no se incluye en la descripción
del modelo, dando lugar a los siguientes casos particulares entre otros:
Tabla 1 Diferentes estructuras de modelos paramétricos
En la Fig. 5 se muestra el diagrama de bloques equivalente para cada uno de los modelos
anteriores.
27
Fig. 5 Diagrama de bloques de las estructuras de la tabla 1
La anulación de alguno de los polinomios, resultando estructuras simplificadas, facilita el
proceso de ajuste de parámetros. Cada una de las estructuras (ARX, ARMAX, OE o BJ)
tiene sus propias características y debe ser elegida fundamentalmente en función del
punto en el que se prevé que se añade el ruido en el sistema. En cualquier caso, puede
ser necesario ensayar con varias estructuras y con varios órdenes dentro de una misma
estructura hasta encontrar un modelo satisfactorio. [6], [8]
2.2.4 Intercambiador de calor
Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entre
dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que
se mezclen entre sí.
El radiador de automóvil es un intercambiador de calor de tipo compacto (Ver Fig. 6),
diseñado específicamente para lograr una gran área superficial de transferencia de calor
por unidad de volumen. Los pasajes a través de los cuales pasa el flujo en estos
intercambiadores de calor compactos suelen ser pequeños, por lo que se puede
considerar el flujo como laminar.
28
Fig. 6 Radiador típico de un automóvil
La gran área superficial en los intercambiadores compactos se obtiene sujetando placas
delgadas o aletas corrugadas con poco espacio entre sí a las paredes que separan los
dos fluidos. Los intercambiadores compactos como el radiador de un auto son de uso
común en la transferencia de calor de gas (aire) hacia líquido (agua).
En este tipo de intercambiador los dos fluidos suelen moverse de manera perpendicular
entre sí y a esa configuración de flujo se le conoce como flujo cruzado, en la Fig. 7 se
muestra que el flujo cruzado es no mezclado en virtud de que las aletas de placa fuerzan
al fluido a moverse por un espaciamiento particular entre ellas e impiden su movimiento
en la dirección transversal (es decir, paralelo a los tubos).
Fig. 7 Intercambiador de calor (radiador) de flujo cruzado no mezclado
2.2.4.1 Análisis del intercambiador de calor
Los intercambiadores de calor suelen operar durante largos periodos sin cambios en sus
condiciones de operación. Por lo tanto, se pueden considerar como aparatos de flujo
estacionario. Como tales, el gasto de masa de cada fluido permanece constante y las
29
propiedades de los fluidos, como la temperatura y la velocidad, en cualquier entrada o
salida, siguen siendo las mismas.
Asimismo, las corrientes de fluido experimentan poco o ningún cambio en sus
velocidades y elevaciones y, como consecuencia, los cambios en la energía cinética y
en la potencial son despreciables. En general, el calor específico de un fluido cambia con
la temperatura; pero, en un intervalo específico de temperaturas, se puede considerar
como una constante en algún valor promedio, con poca pérdida en la exactitud. La
conducción axial de calor a lo largo del tubo suele ser insignificante y se puede considerar
despreciable. Por último, se supone que la superficie exterior del intercambiador de calor
está perfectamente aislada, de modo que no se tiene pérdida de calor hacia el medio
circundante y cualquier transferencia de calor sólo ocurre entre los dos fluidos.
Las idealizaciones que acaban de describirse se logran muy cerca en la práctica y
simplifican mucho el análisis de un intercambiador de calor con poca desviación en la
exactitud. Por lo tanto son de uso común. Con estas suposiciones, la primera ley de la
termodinámica requiere que la velocidad de la transferencia de calor desde el fluido
caliente sea igual a la transferencia de calor hacia el frío; es decir,
, ,c pc c sal c entQ Cm T T
(12)
, h,h ph h ent salQ m C T T
(13)
En donde los subíndices c y h se refieren a los fluidos frio y caliente, respectivamente, y
cm
, hm
= gastos de masa
pcC , phC = calores específicos
,c salT , ,h sa lT = temperaturas de salida
,c entT , h, entT = temperaturas de entrada
La razón de transferencia de calor Q
se toma como una cantidad positiva y se
sobreentiende que su dirección va del fluido caliente hacia el frío, de acuerdo con la
segunda ley de la termodinámica.
30
En el análisis de los intercambiadores de calor a menudo resulta conveniente combinar
el producto del gasto de masa y el calor específico de un fluido en una sola cantidad.
Ésta se llama razón de capacidad calorífica y se define para las corrientes de los fluidos
caliente y frío en (14) y (15) así:
hh phC m C
(14)
cc pcC m C
(15)
La razón de capacidad calorífica de una corriente de fluido representa la velocidad de la
transferencia de calor necesaria para cambiar la temperatura de esa corriente en 1°C
conforme fluye por el intercambiador de calor.
Con la definición ya descrita de razón de capacidad calorífica, las ecuaciones (12) y (13)
también pueden expresarse como:
, ,c c sal c entQ C T T
(16)
h, h,h ent salQ C T T
(17)
2.2.4.2 Método de la diferencia media logarítmica de temperatura (LMTD)
La diferencia media logarítmica de temperatura se obtiene siguiendo el perfil real de
temperaturas de los fluidos a lo largo del intercambiador y es una representación exacta
de la diferencia de temperatura promedio entre los fluidos caliente y frio.
,ml ml CFT F T (18)
En donde F es el factor de corrección, el cual depende de la configuración geométrica
del intercambiador y de las temperaturas de entrada y de salida de las corrientes de fluido
caliente y frio. En el intercambiador de calor a contra flujo la diferencia media logarítmica
es
1 2
,
1
2
ln
ml C F
T TT
T
T
(19)
31
En la Fig. 8 se da el factor de corrección F para el intercambiador de flujo cruzado de un
solo paso con los dos fluidos no mezclados (radiador de automóvil), en función de las
razones P y R entre dos temperaturas definidas como:
2 1
1 1
t tP
T t
(20)
1 2
2 1
T TR
t t
(21)
En donde los subíndices 1 y 2 se refieren a la entrada y salida, respectivamente. Para
un intercambiador de tubos y coraza, T y t representan las temperaturas del lado de la
coraza y del lado del tubo.[9]-[10]
Fig. 8 Flujo cruzado de un solo paso con los dos fluidos de flujo no mezclado
2.2.5 Norma ISA 88 en procesos de producción
En el estándar ANSI/ISA–S88.01–1995 [11] se define que un proceso batch es un
sistema que induce la producción de cantidades finitas de material, sometiendo a las
cantidades de material de entrada a un conjunto ordenado de actividades de
procesamiento sobre un periodo finito de tiempo, usando uno o más recursos.
En este estándar se ha definido la terminología y los modelos para ayudar a especificar
los recursos disponibles, las recetas y las fases necesarias para la fabricación de un
producto en un sistema de producción. Estos modelos corresponden al modelo físico, al
modelo de control de procedimientos y al modelo de proceso, a continuación en la Fig. 9
se presenta la estructura básica de la norma ISA 88.
32
Fig. 9 Estructura básica de la norma ISA 88
2.2.5.1 Procedimiento del modelo ISA 88
Para precisar los modelos de proceso, físico y de control de procedimientos, se debe
tener en cuenta las siguientes definiciones:
1. Etapa de proceso: parte de un proceso que opera independiente de otras etapas de
proceso. Es el resultado de una secuencia planeada de cambios físicos o químicos en el
material que está siendo procesado.
2. Operaciones de proceso: Conforman las etapas de proceso y representan
actividades especializadas de procesamiento que resultan en un cambio físico o químico
del material que está siendo procesado; pueden establecerse en un orden específico que
se desarrolla para completar una etapa.
33
3. Acciones de proceso: Son las subdivisiones de las operaciones de proceso que
desarrollan un conjunto de actividades menores para llevar a cabo el procesamiento
requerido por cada operación de proceso.
4. Unidad: Conjunto de equipos de procesamiento y control necesarios para desarrollar
actividades mayores de proceso. Operan relativamente independientes unas de otras.
5. Módulos de equipo: Una o varias piezas de equipo que pueden llevar a cabo un
número finito de tareas específicas. Físicamente, pueden estar formados por módulos
de control y otros módulos de equipo; deben ser parte de una unidad.
6. Módulos de control: Son los equipos que llevan a cabo las acciones de control básico.
Típicamente, son una colección de sensores, válvulas, motores, actuadores y otros
módulos de control que permiten establecer y mantener un estado específico de los
equipos y procesos.
7. Procedimiento: Es el nivel superior en la jerarquía y define la estrategia para llevar a
cabo una acción de procesamiento importante como hacer un batch. Está definido en
términos de un conjunto ordenado de procedimientos de unidad.
8. Procedimiento de unidad: Consiste en un conjunto ordenado de operaciones que
causa una secuencia de producción contigua que tendrá lugar dentro de una unidad.
9. Operación: Conjunto ordenado de fases que define una secuencia de procesamiento
más importante que lleva el material en proceso de un estado a otro, y por lo general
incluye un cambio físico o químico.
10. Fase: Es el elemento de control procedimental que puede llevar a cabo una tarea
orientada a proceso. Una fase puede subdividirse en partes más pequeñas. La intención
de la fase es ocasionar o definir una acción orientada a proceso.[12]-[13]
34
3. Metodología
Fig. 10 Estructura fundamental en proyectos de ingeniería [Fuente el Autor]
4. Ingeniería Conceptual
Corresponde a la primera etapa de un proyecto de ingeniería, en la cual se comprende
el problema o necesidad específica que plantea el cliente en este caso la Universidad
Distrital y se concibe una alternativa de solución al problema por parte de los proveedores
(estudiantes de Ingeniería en Control).
Esta etapa comprende los requerimientos que delimitan el alcance global y conceptual
del proyecto, incluido el tipo de tecnología y especificación de equipos disponibles y/o de
los equipos que se requieran para cumplir la necesidad del proyecto.
4.1 Requerimientos
Se debe crear una planta didáctica en el cual se integren los siguientes equipos que
dispone el laboratorio de Industrial de la Universidad Distrital (Ver Tabla 2), para ser
usada como herramienta de aprendizaje a manera de entrenador para la comunidad
académica (estudiantes y docentes de la Facultad Tecnológica) en áreas relacionadas
con instrumentación, control y automatización de procesos.
Tabla 2 Equipos iniciales del proyecto
Cantidad Equipo Descripción
1 PLC Allen Bradley CompactLogix Cat. No. 1769-L23E-QB1B
1 Variador de Velocidad PowerFlex40
Cat. No. 22B-V5P0N104
1 Módulo de Entradas Análogas Compact I/O Module
1769-IF4
35
1 Fuente de Poder 24 VDC Power Supply 30W
Cat. No. IDEC PS5R-SC24
1 Guardamotor Contactor Allen Bradley Cat. No. 140M-D8E-C20
1 Pantalla HMI HMI Allen Bradley
Cat. No. 2711P-T6C20A8
1 Fuente de Poder 24 VDC Power Supply 50W
Cat. No. 1606-XLP50E
1 Switch Ethernet Allen Bradley Stratix 2000
Cat. No.1783-US05T
4.2 Alcance
El alcance del proyecto consta de la construcción, adecuación, montaje y puesta en
marcha de la planta de procesos análogos (PPA).
Se deben seleccionar e instalar sensores para la medición de temperatura y nivel. A partir
de un experimento de identificación establecer un modelo aproximado del sistema
térmico y diseñar estrategias de control PID y On-Off en el PLC, para la supervisión y
control de la temperatura en el tanque de agua fría de la planta por medio de la pantalla
HMI, finalmente generar una serie de prácticas de laboratorio que validen los objetivos
planteados al inicio del proyecto.
4.3 Descripción preliminar del proceso
La planta de procesos análogos contara con tres etapas fundamentales:
1. Etapa de Calentamiento
2. Etapa de Mezcla
3. Etapa de Enfriamiento
En cada una de las etapas se deben seleccionar tanques para almacenamiento del
líquido o fluido de proceso (agua), una bomba que impulse el líquido a través de las
tuberías y válvulas de paso para interconectar los sistemas; seleccionar, adquirir e
instalar sensores de tipo industrial; también sistemas mecánicos o eléctricos que
permitan calentar o enfriar el líquido.
36
4.4 Normatividad
Mediante la consulta de normas y estándares internacionales se definen y validan
parámetros de diseño, selección e instalación de equipos, selección de redes de
comunicación, etc. A continuación se presentan las normas utilizadas para algunos
aspectos que intervienen en la planta:
ANSI/ISA–5.1–1984 (R1992) “Instrument Symbols and Identification”
ISA–S5.3–1983 “Graphic Symbols for Distributed Control / Shared Display
Instrumentation, Logic and Computer Systems”
ANSI/ISAS51.1–1979 (R1993) “Process Instrumentation Terminology”
ANSI/ISA–S88.01–1995 “Batch Control Part 1: Models and Terminology”
NEMA ICS 6–1993 (R2001, R2006) “Industrial Control and System Enclosures”
IPTS–68 “The International Practical Temperature Scale 1968”
IEC 60751 “Industrial Platinum Resistance Thermometers and Platinum
Temperature Sensors”
ITS–90 “The International Temperature Scale of 1990”
ISO 9241 y EN 29241 "Ergonomics requirements of visual display terminals
(VDT’s) used for office Tasks"
ISA–S5.5–1985 "Graphic Symbols for Process Displays"
ANSI/ISA–101.01–2015 “Human Machine Interfaces for Process Automation
Systems”
IEC 61131–3 “Programming Languages in Programmable Logic Controller (PLC)”
4.5 Diagrama de flujo de proceso (PFD)
A partir de la descripción preliminar del proceso se plantea el diagrama de flujo de
proceso de la planta en la Fig. 11.
37
Fig. 11 Diagrama de flujo de proceso de la planta [Fuente el Autor]
5. Ingeniería Básica
En la segunda fase del proyecto se desarrolla la alternativa de solución presentada en la
ingeniería conceptual, allí se mostraran los diseños definitivos de la estructura física de
la planta, los diagramas de instrumentación y tuberías (P&ID) y se realizará el listado de
equipos que componen el proyecto.
5.1 Descripción general de la planta
La planta de procesos análogos (PPA) está conformada por una estructura metálica en
la cual se encuentran (3) tres tanques en acrílico transparente de 5mm de espesor, de
diferentes tamaños y formas (uno de forma cilíndrica y dos de forma cubica) están
interconectados por tuberías que permiten el flujo de líquido (agua) proveniente de una
bomba que esta acoplada a un motor trifásico de 0,75 HP, posee válvulas de tipo manual
y solenoides, también cuenta son sensores de tipo industrial para medir variables de nivel
y temperatura.
38
En el tablero de control se encuentran las conexiones eléctricas de los diferentes equipos
que componen la planta, existen sistemas de protección para los actuadores (relés
magnéticos), dos fuentes de alimentación 24 VDC y una fuente conmutada de 12 VDC,
un variador de velocidad, un guardamotor, una pantalla HMI, un módulo de entradas
análogas, un controlador lógico programable (PLC), un switch ethernet y borneras de
conexión de entrada/salida para facilitar el cableado de los dispositivos.
En la Fig. 12 se puede observar la planta diseñada en donde se evidencia la integración
de los tres niveles iniciales de la pirámide de automatización.
Fig. 12 Planta de procesos análogos [Fuente el Autor]
39
5.2 Descripción del proceso
El proyecto se centra en la identificación del modelo matemático aproximado del sistema
térmico del tanque de agua fría (TK-100), la implementación de un controlador digital en
el PLC para mantener la temperatura del tanque de suministro por medio de un
intercambiador de calor (radiador) y a través de la pantalla HMI y el PLC se realizará un
sistema de supervisión y control de la variable temperatura que interviene en el proceso.
En la Fig. 13 se puede observar el diagrama de instrumentación y tubería (PI&D) de la
planta basados en la norma ANSI/ISA-5.1-1984(R1992) [14] y la norma ISA-S5.3-1983
[15] respectivamente.
Fig. 13 Diagrama PI&D de la planta [Fuente el Autor]
40
La planta no está diseñada para ser una plataforma tipo batch, pero haciendo uso de la
norma ANSI/ISA–S88.01–1995 [11] referente a este tipo de procesos se puede describir
y relacionar la información del diagrama PI&D con el modelo físico que propone el
estándar para jerarquizar los equipos de la planta en términos de células, unidades,
módulos de equipos y módulos de control.
A continuación se presenta en la Fig. 14 el modelo físico de la planta de procesos
análogos.
Fig. 14 Modelo físico de la planta de acuerdo a la norma ISA88
[Fuente el Autor]
41
5.3 Descripción de instrumentación y equipos
En la Tabla 3 se describen los equipos e instrumentos que conforman la planta.
Tabla 3 Instrumentación y equipos de la PPA
Nombre Fotografía Descripción Servicio
Tanque de Agua Fría
(TK-100)
Tanque de suministro fabricado en acrílico de
5mm de espesor, capacidad 45 Litros. Enfriamiento
Válvula Manual (HV-100)
Válvula de bola de ½ ’’, para permitir o no la
circulación del fluido (agua) Enfriamiento
Bomba (P-100)
Bomba acoplada a un motor trifásico de 3/4 HP,
sirve para hacer circular el fluido (agua) a través
de la tuberías hacia los diferentes tanques.
Enfriamiento
Válvula Manual de
Drenaje (HV-101)
Válvula de bola de 1/8 ’’ sirve de drenaje o
purga de la bomba. Enfriamiento
Sensor de Nivel Bajo
(LAL 100)
Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para el nivel
bajo del tanque de suministro. Enfriamiento
Sensor de Nivel Alto
(LAH 100)
Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para el nivel
alto del tanque de suministro. Enfriamiento
Sensor de Temperatura
RTD PT100 (TE 100)
Sensor que registra la temperatura dentro del
tanque de suministro.
Rango: -200 ºC a 950 ºC
Enfriamiento
Transmisor de
Temperatura (TT 100)
Señal de salida: 4-20 mA
Voltaje de alimentación: 24 VDC
Rango: 0 ºC a 50 ºC
Enfriamiento
Intercambiador de Calor
Radiador (E1)
Radiador de un vehículo, se usa para enfriar el
líquido (agua). Voltaje Funcionamiento: 12 VDC Enfriamiento
Sensor de Temperatura
Termistor (TE 101)
Sensor que registra temperatura de entrada del
intercambiador de calor.
Rango: -20 ºC a 150 ºC
Enfriamiento
Transmisor de
Temperatura (TT 101)
Señal de salida: 0-10 VDC
Voltaje de alimentación: 12 VDC
Rango: -20 ºC a 150 ºC
Enfriamiento
Resistencia Térmica
(HE 100)
Resistencia de Inmersión, Potencia: 80 W
Voltaje de alimentación: 110 VAC
Ubicado en el tanque de Suministro.
Enfriamiento
42
Sensor de Temperatura
Termistor (TE 102)
Sensor que registra temperatura de salida del
intercambiador de calor.
Rango: -20 ºC a 150 ºC
Enfriamiento
Transmisor de
Temperatura (TT 102)
Señal de salida: 0-10 VDC
Voltaje de alimentación: 12 VDC
Rango: -20 ºC a 150 ºC
Enfriamiento
Válvula Solenoide
(HV-102)
Ref. 2W040-10, Port Size: ½ ’’
Standard Voltage: 110 VAC
Working Pressure Water: 0-0,07Mpa
Ubicado a la entrada del tanque de suministro.
Enfriamiento
Tanque de Mezcla
(TK-101)
Tanque de mezcla fabricado en acrílico de 5mm
de espesor, capacidad 100 Litros. Mezcla
Válvula Manual (HV 103)
Válvula de bola de 1/8 ’’, para permitir o no la
circulación del fluido (agua). Mezcla
Válvula Manual (HV 104)
Válvula de bola de ½ ’’, para permitir o no la
circulación del fluido (agua). Mezcla
Sensor de Nivel
Ultrasónico (LE 103)
Sensor de Ultrasonido Pepperl+Fuchs
Ref. UB500-18GM75-I-V15, Rango: 3-50cm
Ubicado en el tanque de mezcla.
Mezcla
Transmisor de Nivel
(LT 103)
Señal de salida: 4-20 mA
Voltaje de alimentación: 24VDC Mezcla
Válvula Manual (HV 106)
Válvula de bola de ½ ’’, para permitir o no la
circulación del fluido (agua). Mezcla
Válvula Solenoide
(HV-105)
Ref. 2W040-10, Port Size: ½ ’’
Standard Voltage: 110 VAC
Working Pressure Water: 0-0,07Mpa
Mezcla
Tanque de Agua Caliente
(TK-102)
Tanque de almacenamiento de agua caliente
fabricado en acrílico de 5mm de espesor, forma
cilíndrica, capacidad 68 Litros.
Calentamiento
Válvula Manual (HV 107)
Válvula de bola de ½ ’’, para permitir o no la
circulación del fluido (agua). Calentamiento
Resistencia Térmica
(HE 104)
Resistencia de Inmersión, Potencia: 200 W
Voltaje de Alimentación: 110 VAC Calentamiento
43
Sensor de Nivel Bajo
(LAL 104)
Sensor de tipo interruptor ON-OFF, para el
asegurar nivel de agua para activar la
resistencia térmica.
Calentamiento
Sensor de Nivel Presión
Diferencial (PE 104)
Sensor de Nivel Presión Diferencial
Ref. Rosemount 2051c
Rango: 0-40 cm
Calentamiento
Transmisor Nivel (LT 104)
Señal de salida: 4-20 mA
Voltaje de alimentación: 24VDC Calentamiento
Sensor de Temperatura
Termopar Tipo J (TE 104)
Sensor que registra la temperatura dentro del
tanque de agua caliente.
Rango: -200 ºC a 1200 ºC
Calentamiento
Transmisor de
Temperatura (TT 104)
Señal de salida: 4-20 mA
Voltaje de alimentación: 24 VDC
Rango: 0 ºC a 100 ºC
Calentamiento
Válvula Manual (HV 108)
Válvula de bola de ½ ’’, para permitir o no la
circulación del fluido (agua). Calentamiento
PLC
Allen Bradley CompactLogix
Cat. No. 1769-L23E-QB1B
16 Digital Inputs, 16 Digital Outputs,
Ethernet Port, 9-pin isolated Serial port. [16]
--------------
Variador de Velocidad
PowerFlex40
Cat. No. 22B-V5P0N104
Voltage Rating: 120 VAC
Output Current: 5 A, Output Power:1 HP
Output: 0-230 Volts 3-phase. [17]
--------------
Módulo de Entradas
Análogas
Compact I/O Module 1769-IF4
Number Inputs: 4 Differential or single-ended
Analog Normal Operations Range:
Voltage: +-10V, 0-10 V, 0-5V, 1-5V
Current: 0-20 mA, 4-20 mA
Resolution: 14 bits. [18]
--------------
Fuente de Poder 24 VDC
Power Supply IDEC PS5R-SC24
Input Voltage: 100-240 VAC
Output Voltage: 24 VDC ,Output Power: 30W
Output Current. 1,3 A. [19]
--------------
Guardamotor
(Disyuntor) Contactor Allen Bradley
Cat. No. 140M-D8E-C20
Motor Current Adjustment Range: 14,5-20 A
Nominal Magnetic Trip Current: 260 A. [20]
--------------
44
Pantalla HMI
HMI Allen Bradley
Cat. No. 2711P-T6C20A8
Size Screen:5.7’’, Display Type: Color
Communication Ports:
RS-232, Ethernet, USB. [21]
--------------
Fuente de Poder 24 VDC
Power Supply
Cat. No. 1606-XLP50E
Input voltage: 100-240 VAC
Output voltages: 24 VDC ,Output Power: 50W
Output Current. 2,1 A. [22]
--------------
Switch Ethernet
Allen Bradley Stratix 2000
Cat. No. 1783-US05T
Power Supply voltage: 24 VDC
Ethernet Connections: 5 ports RJ45. [23]
--------------
Fuente Conmutada
Input Voltage: 100-240 VAC
Output Voltage: 12 VDC, Output Current. 10A
Utilizada para alimentar el radiador y los
transmisores de temperatura (TT101) y (TT102).
--------------
Baliza de Señalización
Ref. Tower Light LTA-205
Input Voltage: 100 VAC
Voltage Activation: 24 VDC
Bulb Power: 5W, 3 Colors: Red, Amber, Green
--------------
Relés Térmicos
Ref. JZX-22F-4Z-24VDC
Relés para activación de actuadores (válvulas
solenoides, el radiador y resistencias térmicas)
desde una señal de salida digital del PLC.
--------------
5.4 Descripción del sistema de control
El sistema cuenta con dos acciones de control: un controlador PID y un controlador On-
Off.
El controlador PID permite regular la temperatura dentro del tanque de agua fría o
suministro (TK-100), la condición inicial del sistema es que el agua presente en el tanque
está a una temperatura mayor a la temperatura ambiente. El control de temperatura se
realiza a través de un intercambiador de calor (radiador), que por medio de la acción de
control del variador de velocidad sobre la bomba hace recircular agua, y permitirá enfriar
el líquido al valor de temperatura o set point (SP) que ingrese el usuario en la HMI o el
PLC. La variable de proceso (PV) es el sensor RTD PT100 que esta al interior del tanque
y registrará la temperatura. (Ver Fig. 15)
45
Fig. 15 Diagrama de bloques de sistema de control PID
[Fuente el Autor]
El controlador On-Off permite supervisar el nivel máximo y mínimo del tanque de agua
fría (TK-100), por medio de sensores de nivel (tipo interruptor) que son conectados a
entradas digitales del PLC. Cuando por alguna razón no exista agua suficiente en el
tanque o llegue a su capacidad máxima se activaran las alarmas de nivel bajo y alto, esto
genera la acción del controlador que envía una señal de cero “0” al variador de velocidad
para que reduzca la velocidad de la bomba; en caso contrario si no están activas las
alarmas el controlador permitirá que el sistema continúe en funcionamiento y el variador
mantendrá la velocidad predefinida por el usuario en la HMI. (Ver Fig. 16)
Fig. 16 Diagrama de bloques de sistema de control On-Off [Fuente el Autor]
46
6. Ingeniería en Detalle
Es la fase más importante en el desarrollo del proyecto donde a partir de la ingeniería
conceptual y básica se visualiza la planta como algo real y tangible.
Allí se evidencia paso a paso la selección e instalación de sensores, el modelo del
intercambiador de calor, el experimento de identificación, el diseño del sistema SCADA
en FactoryTalk View, la programación del PLC en el software RSlogix5000, y el
cumplimiento de los objetivos propuestos al inicio del proyecto.
6.1 Selección sensores de temperatura
Para medir la temperatura dentro del tanque de suministro y para caracterizar el
intercambiador de calor se analizaron diferentes tipos de sensores de temperatura
industriales, sus características estáticas y dinámicas como (error, exactitud, precisión,
rango, zona muerta, sensibilidad, repetibilidad, linealidad, tiempo de respuesta, entre
otros); además del costo, el tamaño y el entorno donde estarían ubicados los sensores
en la planta.
6.1.1 Sensor RTD
En el tanque de agua fría o de suministro se eligió un detector de temperatura resistivo
(RTD) PT100 de 3 hilos clase A (Ver Fig. 17 y Tabla 4), con tubo de protección
(termopozo) de 35cm de longitud en acero inoxidable 304, para medir la temperatura en
la mitad del tanque.
El termopozo cumple con un grado de protección NEMA 4 que según el estándar NEMA
ICS 6 [24], garantiza el óptimo funcionamiento del equipo al ser utilizado en interiores y/o
exteriores, además provee la seguridad al personal que lo utiliza, también es un escudo
de protección robusto para los equipos contra ambientes que van desde el polvo, tierra,
pelusa y fibra hasta ambientes como son chorros de agua directos, lluvia, nieve y agua-
nieve.
Fig. 17 RTD PT100 [Fuente el Autor]
47
Los valores de aceptación de los valores de las sondas (tolerancias) en Europa, basados
en la norma IEC 60751 [25] para sondas de resistencia de platino son:
Tabla 4 Clasificación y tolerancias de las sondas de resistencia IEC 60751
Temperatura (ºC) Clase A (ºC) Clase B (ºC)
0 0,15 0,30
100 0,35 0,80
200 0,55 1,3
Siendo la precisión de las clases:
CLASE A: 0,15 0,002 ºCt
CLASE B: 0,3 0,005 ºCt
Donde t es el valor absoluto de la temperatura en ºC. Estos valores de temperatura de
la norma IEC 60751 están caracterizados en términos de la norma de escala
internacional de temperatura de 1990 (ITS-90). [26]
El sensor posee un alto grado de sensibilidad, repetibilidad, respuesta lineal, y alta
exactitud. En la Tabla 5 se describen las especificaciones del sensor dadas por el
fabricante.
Tabla 5 Especificaciones sensor PT100
Maker MR
Model No. MR2091-1/2-350 Weight: 510 gr
Element PT100 (Platinum)
Temperature Range
Normal [Recommended]: -100 to 350 ºC (-148 to 662 ºF)
Maximum: -100 to 400 ºC (-148 to 752 ºF)
Terminal Contact
3EA (Applied 3 wire: A, B, b)
Material
Terminal Head Aluminum Alloy
Contact Plate Zircon Ceramic
Head Coating Melamine resin (Metallic Silver
Color)
Protection Tube (Probe Part) Stainless Steel 304
Fixing Thread Stainless Steel 304
48
Size
Total Length 480mm (18,9’’)
Protection Tube (Probe Part) Length 350mm (13,8’’)
Probe Part Diameter 8mm (0,32’’)
Fixing Thread PT ½’’ (Taper Thread), compatible
with NPT ½’’
Head Diameter 82mm (3,22’’)
Lead Wire Inner Part Diameter Available max. 10mm wire inserting
Para generar una señal eléctrica proporcional a la temperatura deseada se adquirió un
transmisor de temperatura (Ver Fig. 18), que convierte la magnitud de resistencia en un
valor de corriente de 4-20mA. Esta señal será ingresada al PLC por medio de una entrada
del módulo análogo.
Fig. 18 Transmisor de temperatura para la RTD PT100
[Fuente el Autor]
En la Tabla 6 se presentan las características del transmisor.
Tabla 6 Especificaciones transmisor de temperatura
Sensor PT100
Measuring Range 0 ºC – 50 ºC
Output 4 – 20 mA
Working Voltage 24 VDC
Accuracy +- 0,2% Full Scale
Dimensions 45mm diameter (1,77 inch)
Weight 25 gr
49
6.1.2 Linealización sensor RTD PT100 4-20 mA
Para realizar el proceso de linealización de la RTD se obtuvo la ecuación característica
a partir de los datos tomados experimentalmente de Corriente vs Temperatura para
visualizar la lectura en la interfaz gráfica de usuario en la pantalla HMI.
Tabla 7 Datos corriente vs temperatura RTD
Corriente (mA) Temperatura (ºC)
4 0
4,07 1
4,12 2
4,46 3
4,8 4
5,13 5
5,47 6
5,81 7
6,14 8
6,48 9
6,82 10
7,1 11
7,38 12
7,61 13
8,1 14
8,57 15
8,79 16
9,06 17
9,65 18
9,94 19
10,21 20
10,48 21
10,92 22
11,37 23
11,56 24
12,14 25
12,42 26
12,77 27
12,98 28
13,33 29
13,6 30
13,83 31
14,26 32
14,46 33
14,72 34
14,91 35
15,58 36
15,92 37
16,26 38
16,60 39
16,93 40
17,27 41
17,61 42
17,94 43
18,28 44
18,62 45
18,96 46
19,29 47
19,63 48
19,97 49
20 50
En la Fig. 19 se observa el comportamiento lineal de la salida en corriente vs temperatura
de la RTD según los datos de la Tabla 7 y en (22) se presenta la ecuación del sensor
linealizado de 4-20mA.
2,9803 10,457y x (22)
50
Fig. 19 Gráfica corriente vs temperatura RTD
[Fuente el Autor]
6.1.3 Características estáticas sensor PT100
Para introducir las siguientes definiciones se tiene en cuenta la norma ISA 51.1 [27]
referente a terminología en instrumentación de procesos.
En (23) el valor promedio de las lecturas realizadas con el sensor de temperatura.
1 2 3
1
...1 nn
i
i
a a a ax a
n n
(23)
Para realizar los cálculos de las especificaciones estáticas de la RTD, se toman datos en
varios valores de temperatura y se usa como patrón de medición la cámara termográfica
FLIR i7 [28] (Ver Anexo 10.2), los datos obtenidos se muestran en la Tabla 8.
Tabla 8 Datos tomados para la caracterización del sensor RTD
No. Valor Medido en grados centígrados (ºC)
25 30 35 40 45 50
1 25,01 30,02 35,03 40,02 45,02 50,01
2 25,03 30,01 35,04 40,03 44,98 49,98
3 25,02 30,01 35,02 39,99 45,03 49,97
4 25,04 30,04 35,03 40,01 45,01 50,03
5 24,97 30,03 35,04 40,03 44,98 50,04
6 25,03 30,05 35,02 40,02 45,01 50,02
7 25,05 30,02 35,01 39,98 45,04 49,96
8 24,98 30,03 35,02 40,01 44,99 50,01
9 25,03 30,04 35,03 40,03 45,02 50,03
10 25,02 30,01 35,01 40,04 45,04 50,02
51
Error sistemático
El promedio de varias lecturas esta desplazado respecto al valor definido como
verdadero, que a su vez, es el valor de referencia tomado de la cámara termográfica
FLIR i7.
TE x x (24)
Error bias
Es el error sistemático expresado en porcentaje.
% 100%T
T
x xE
x
(25)
Varianza
Esta medida nos permite identificar la diferencia promedio que hay entre cada uno de los
valores respecto a su punto central.
2
2
1
1
1
n
i
i
s x xn
(26)
Desviación estándar
Esta medida nos permite determinar el promedio aritmético de fluctuación de los datos
respecto a su punto central o media. La desviación estándar nos da como resultado un
valor numérico que representa el promedio de diferencia que hay entre los datos y la
media.
2s s (27)
Teniendo en cuenta que en la medición se toma un intervalo de confianza del 95% y se
calcula el área en una cola de la curva de la campana, se obtiene
1 0,95 (28)
Se despeja de (28)
1 0,95 0,05 (29)
Los grados de libertad (gl) para una muestra de 10 datos
1 10 1 9gl n (30)
52
Con base en los grados de libertad=9 y un área en una cola de 0,05; se buscó el valor
critico de t en una distribución de probabilidad t-student [29]-[30], el cual corresponde a
1,8331(Ver Fig. 20)
Fig. 20 Valor crítico de t para los grados de libertad y área en una cola
Ajuste desviación estándar por t-student
*p students s t (31)
Exactitud en un punto
Cercanía al valor verdadero: Incluye los efectos del error sistemático y del error de
precisión.
2
2 **
p
p
sAcc s
n (32)
El análisis estadístico de los datos se realizan en el software Microsoft Excel®, en la
Tabla 9 se muestran los resultados.
Tabla 9 Resultado de características estáticas del sensor PT100
Patrón ºC 25 30 35 40 45 50
Promedio x 25,016 30,023 35,022 40,014 45,010 50,006
Error Sistemático E 0,01636 0,02363 0,02272 0,01454 0,01090 0,00636
Error Bias 1,63636 2,36363 2,27272 1,45454 1,09090 0,63636
Varianza 2s 0,00055 0,00022 0,00014 0,00031 0,00042 0,00062
Desviación Estándar s 0,02346 0,01493 0,01212 0,01776 0,02065 0,02496
53
Desviación Estándar *ps 0,04301 0,02738 0,02223 0,03257 0,03785 0,04575
Exactitud Acc - 1,45 %
a 1,81 %
- 2,26 % a
2,45 %
- 2,2 % a
2,33 %
- 1,36 % a
1,53 %
- 1,002 % a
1,17 %
- 0,54 % a
0,73 %
6.1.4 Sensor termistor
Para caracterizar el intercambiador de calor se adquirieron dos termistores tipo NTC de
50K (Ver Fig. 21), ambos para medir la temperatura de entrada y la temperatura de
salida del intercambiador respectivamente.
Fig. 21 Termistor NTC de 50 KΩ [Fuente el Autor]
El sensor posee un alto coeficiente de temperatura, sensibilidad y su tamaño reducido
permite su fácil instalación en la tubería plástica que lleva el agua al intercambiador.
En la Tabla 10 se describen las especificaciones del sensor dadas por el fabricante donde
encontramos los datos Temperatura vs Resistencia.
Tabla 10 Comportamiento característico termistor NTC Ítem
K
Temperatura
ºC KX
Sensor NTC
K KR
1 22 50
2 30 39,5
3 40 26,1
4 60 12,1
5 70 8,5
6 95 3,8
7 105 2,8
En la Fig. 22 se presenta la gráfica y la ecuación característica del sensor NTC, como
podemos observar el comportamiento del termistor es de tipo exponencial.
54
Fig. 22 Gráfica resistencia vs temperatura del termistor
[Fuente el Autor]
6.1.5 Diseño del transmisor de temperatura 0-10 VDC
Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variación de la resistencia con la
temperatura no es lineal, por tal motivo es necesario diseñar un circuito que acondicione
la señal. [31]
Las entradas del módulo análogo del PLC nos permiten valores de voltaje de 0 a 10 VDC,
conociendo esto se procedió a linealizar los sensores de temperatura en este rango de
voltaje.
El método de linealización del sensor consiste en encontrar una resistencia fija en
paralelo al termistor, a esta resistencia la llamaremos resistencia de linealización L
R , en
(33) se presenta la ecuación característica del termistor.
0,035107,25 xy e (33)
Para lo cual se requiere el valor de p , el cual se halla mediante (34)
jb x
pb a
(34)
Donde j es cualquier valor entre 1 y 7 (ver Tabla 10).
En este caso elegimos 4j , es decir un valor intermedio de temperatura 60j
x , así
que se halla p :
55
105 60
0,72105 22
p
(35)
Y para calcular L
R se utiliza (36) así:
a b j j b a
L
b a b j
R R R pR R RR
p R R R R
(36)
Para todo 1,2,3,..., 1j n ; se reemplaza los valores en (36) y se obtiene
50 2,8 12,1 0,72 2,8 5017,641
0,72 2,8 50 2,8 12,1L
R K
(37)
Se aproxima a un valor comercial de resistencia 18 K , y con este valor se aplica la
ecuación (38)
k L
k k
k L
R Rr r x
R R
(38)
Así se obtiene la Tabla 11 y en la Fig. 23, se observa la gráfica del sensor linealizado
con su respectiva ecuación.
Tabla 11 Sensor linealizado Ítem
K
Temperatura
ºC KX
Sensor NTC
K KR k
r
1 22 50 13,0403597
2 30 39,5 12,1949053
3 40 26,1 10,5264069
4 60 12,1 7,1772243
5 70 8,5 5,73617957
6 95 3,8 3,12653497
7 105 2,8 2,41646371
Fig. 23 Gráfica resistencia vs temperatura termistor linealizado
[Fuente el Autor]
56
Con estos datos ahora se diseña el circuito de medición de la Fig. 24, y se calcula por
medio de un divisor de voltaje S
V con (39)
F k
S
L K
V RV
R R (39)
Fig. 24 Circuito de medición termistor
[Fuente el Autor]
Los resultados se pueden observar en la Tabla 12
Tabla 12 Temperatura vs Voltaje Temperatura
ºC KX
Voltaje
SV
22 7,35294118
30 6,86956522
40 5,91836735
60 4,01993355
70 3,20754717
95 1,74311927
105 1,34615385
En la Fig. 25 se observa el comportamiento lineal de la salida en voltaje vs temperatura
del termistor según los datos de la Tabla 12 y en (40) se presenta la ecuación del sensor
linealizado de 0–10 VDC.
y 0,0753 8,8913x (40)
Cabe anotar que la linealización presentada tiene un coeficiente de correlación de
2 0,9858R .
57
Fig. 25 Gráfica temperatura vs voltaje del termistor NTC
[Fuente el Autor]
Por ultimo como la planta no cuenta con una fuente de voltaje con salida 10 VDC,
entonces se usa la fuente conmutada 12 VDC y se coloca un regulador de 10 Voltios
(LM7810) en serie al circuito de medición del termistor (ver Fig. 24), y así se obtiene el
esquemático y el circuito impreso del transmisor de temperatura para los dos termistores
que se presentan en la Fig. 26 y Fig. 27 respectivamente.
Fig. 26 Esquemático transmisor de temperatura termistor NTC [Fuente el Autor]
Fig. 27 Circuito impreso transmisor de temperatura termistor NTC
[Fuente el Autor]
6.1.6 Características estáticas sensor termistor
Para realizar los cálculos de las especificaciones estáticas del termistor, se toman datos
en varios valores de temperatura y se usa como patrón de medición la cámara
58
termográfica FLIR i7 [28] (Ver Anexo 10.2), los datos obtenidos se muestran en la Tabla
13.
Tabla 13 Datos tomados para la caracterización del sensor termistor
No. Valor Medido en grados centígrados (ºC)
25 30 40 45 50 55
1 25,04 29,97 40,03 45,03 50,04 55,02
2 25,02 30,03 39,98 45,02 50,03 54,98
3 24,98 30,01 40,01 44,98 50,01 55,04
4 25,03 30,02 40,03 45,04 49,97 55,01
5 24,97 29,98 39,97 45,01 50,02 54,97
6 25,03 30,05 40,02 44,96 50,01 55,02
7 25,04 29,98 40,04 45,03 50,04 54,98
8 25,01 30,03 39,99 45,02 49,96 55,03
9 25,03 29,97 40,01 44,98 50,03 55,03
10 24,97 30,02 39,98 45,01 49,98 54,97
El análisis estadístico de los datos se realizan en el software Microsoft Excel®, en la
Tabla 14 se muestran los resultados.
Tabla 14 Resultado de características estáticas del sensor Termistor NTC
Patrón ºC 25 30 40 45 50 55
Promedio x 25,010 30,005 40,005 45,007 50,008 55,004
Error Sistemático E 0,01090 0,00545 0,00545 0,00727 0,00818 0,00454
Error Bias 1,09090 0,54545 0,54545 0,72727 0,81818 0,45454
Varianza 2s 0,00066 0,00067 0,00049 0,00056 0,00070 0,00060
Desviación Estándar s 0,02574 0,02606 0,02230 0,02377 0,02656 0,02462
Desviación Estándar *ps 0,04719 0,04777 0,04088 0,04358 0,04869 0,04514
Exactitud Acc - 0,89 %
a 1,28 %
- 0,37 % a
0,71 %
- 0,43 % a
0,65 %
- 0,62 % a
0,82 %
- 0,76 % a
0,92 %
- 0,36 % a
0,54 %
6.2 Instalación sensores
6.2.1 Sensor PT100 y sensores de nivel
El sensor RTD PT100 está ubicado en el interior del tanque de agua fría o de suministro
(TK-100), también se colocaron sensores de nivel bajo y alto tipo interruptor (LAL 100) y
(LAH 100) respectivamente en el tanque. (Ver Fig. 28)
59
Fig. 28 Instalación sensor RTD PT100 y sensores de nivel [Fuente el Autor]
6.2.2 Sensores de temperatura termistor
Los termistores NTC de 50 KΩ (TE 101) y (TE 102) se instalaron dentro de la tubería
plástica que lleva el agua hacia el intercambiador de calor (radiador), para medir la
temperatura del líquido al ingreso y la salida del mismo. (Ver Fig. 29 y Fig. 30)
respectivamente.
Fig. 29 Instalación termistor a la entrada del intercambiador de calor [Fuente el Autor]
60
Fig. 30 Instalación termistor a la salida del intercambiador de calor [Fuente el Autor]
6.3 Modelo
6.3.1 Modelo sensor RTD
Con los datos obtenidos del proceso de linealización del sensor RTD, se obtuvo la
siguiente ecuación:
2,9803 10,457y x (41)
En la cual se relaciona la temperatura en ºC como variable de entrada del sensor y la
salida la corriente en un rango de 4-20 mA, como se puede apreciar en la Fig. 31 se
muestra el diagrama de bloques del sensor.
Fig. 31 Diagrama de bloques sensor RTD [Fuente el Autor]
El modelo del diagrama de bloques se genera utilizando la herramienta Simulink de
MATLAB® así:
61
Fig. 32 Diagrama de bloques en simulink sensor RTD [Fuente el Autor]
Se crea un subsistema del modelo del sensor para expresarlo como un bloque, con el fin
de obtener un diagrama organizado y de fácil interpretación; se comprueba el modelo
ingresando diferentes valores de temperatura verificando que la salida en corriente
concuerde con los datos obtenidos en la Tabla 7.
6.3.2 Modelo sensor termistor
Con los datos obtenidos del proceso de linealización del sensor termistor, se obtuvo la
siguiente ecuación:
y 0,0753 8,8913x (42)
En el cual se relaciona la temperatura en ºC como variable de entrada del sensor y la
salida de voltaje en un rango de 0-10 VDC, como se puede apreciar en la Fig. 33 se
muestra el diagrama de bloques del sensor.
Fig. 33 Diagrama de bloques sensor Termistor [Fuente el Autor]
El modelo del diagrama de bloques se genera utilizando la herramienta Simulink de
MATLAB® así:
62
Fig. 34 Diagrama de bloques en simulink sensor termistor [Fuente el Autor]
Se crea un subsistema del modelo del sensor para expresarlo como un bloque, con el fin
de obtener un diagrama organizado y de fácil interpretación; se comprueba el modelo
ingresando diferentes valores de temperatura verificando que la salida en voltaje
concuerde con los datos obtenidos en la Tabla 12.
6.3.3 Modelo bomba
Para realizar el modelo de la bomba se define como entrada una variable de tipo entero
(PowerFlex_40:O:FreqCommand) que está relacionada con la frecuencia que se le
inyecta al variador de velocidad PowerFlex40 multiplicada por 10, la frecuencia de trabajo
del variador tiene un rango de (0-60Hz), siendo 60Hz la máxima velocidad.
La energía inyectada por la variable (PowerFlex_40:O:FreqCommand) al motor trifásico
por medio del variador es convertida en un movimiento circular que hace mover el impeler
de la bomba y así obtener a la salida un caudal que alimentará al tanque de agua fría.
(Ver Fig. 35)
Fig. 35 Diagrama de bloques bomba [Fuente el Autor]
El modelo dinámico para una bomba se puede realizar de manera compleja o de manera
simple, se realiza un modelo complejo cuando se está diseñando una bomba o cuando
63
se está analizando un caso específico de interacción de varias bombas; para otros fines
un modelo simple de bomba es el más adecuado.
Un modelo simple para una bomba se realiza usando una tabla de la curva característica
de la bomba y una función de transferencia de primer orden que modela el retardo de la
bomba. (Ver Fig. 36)
Fig. 36 Modelo dinámico simple para una bomba [Fuente el Autor]
Antes de hallar el modelo de la bomba, se debe escalar el tanque para medir su volumen,
para esto se tomó una probeta de 1 Litro de capacidad del laboratorio de Física de la
Universidad Distrital FJC – Facultad Tecnológica para calcular el volumen del tanque.
Fig. 37 Probeta capacidad 1000ml
[Fuente el Autor]
Luego se activa la bomba a un valor de frecuencia con el fin de poder medir el volumen
en función del tiempo y calcular el volumen; se busca el rango de trabajo en frecuencia
para el cual la bomba puede impulsar líquido al tanque, obteniendo como resultado la
Tabla 15.
64
Tabla 15 Datos Frecuencia vs Caudal de la bomba
% Frecuencia
[Hz]
PowerFlex_40:O:FreqCommand
[0 - 600]
Caudal 3cm s
0 27 270 0
25 35,25 352,5 82,6820903
30 36,9 369 129,45648
35 38,55 385,5 132,131715
40 40,2 402 146,105068
45 41,85 418,5 163,980844
50 43,5 435 169,067571
55 45,15 451,5 171,297617
60 46,8 468 190,221667
65 48,45 484,5 213,184312
70 50,1 501 215,066141
75 51,75 517,5 226,105537
80 53,4 534 234,389255
85 55,05 550,5 243,916717
90 56,7 567 248,108382
95 58,35 583,5 267,687869
100 60 600 280
De la tabla anterior se obtiene la respuesta de la bomba que suministra el agua al tanque,
se tiene un rango de trabajo para la variable de control (PowerFlex_40:O:FreqCommand)
de (270-600) y el caudal máximo es de 280 3cm s
En Simulink se agrega el bloque “1-D Lookup Table” el cual representará el
comportamiento de la bomba.
Fig. 38 Bloque en simulink para el modelo bomba [Fuente el Autor]
65
Este bloque es usado para encontrar un modelo no paramétrico del sistema, por medio
de la tabla de datos obtenida la cual es ingresada configurando vectores de entrada y
salida.
Como la respuesta de la bomba depende de la rampa de aceleración y desaceleración,
será modelado el sistema de primer orden teniendo en cuenta el tiempo de aceleración
y desaceleración [17] que se muestra en la Fig. 39.
Fig. 39 Rampa aceleración desaceleración generado por el variador de velocidad
Dentro del programa creado en RSLogix5000 se encuentra la configuración del variador
PowerFlex40 [17], en la Fig. 40 se puede observar la configuración de “Parameter List”
del cual se tiene que el tiempo de aceleración y desaceleración es de 10 segundos el
cual es el tiempo en el que se estabiliza la bomba.
Fig. 40 Datos de tiempo rampa aceleración y desaceleración programada en RSLogix5000
[Fuente el Autor]
66
El sistema de primer orden es de la forma (43)
1
1
y sG s
u s s
(43)
Cuya respuesta es una exponencial [32] y se muestra en la Fig. 41
Fig. 41 Gráfica respuesta de un sistema de primer orden
Cuando la rampa de aceleración del variador termina transcurren 10 segundos y llega al
estado estable en 5 así que:
10
2,55
(44)
Se reemplaza (44) en (43) y se obtiene
1
2,5 1
y s
u s s
(45)
Se aplica la transformada inversa de Laplace a (45)
1
u y2,5
dyt t
dt (46)
En la Fig. 42 se expresa el retardo del variador en un diagrama de bloques.
67
Fig. 42 Diagrama de bloques en simulink modelo bomba con retardo
[Fuente el Autor]
6.3.4 Modelo intercambiador de calor
El intercambiador de calor usado es un radiador de un automóvil, el cual es un
intercambiador compacto de agua hacia aire y de flujo cruzado, en donde los fluidos (el
aire y el agua) no se mezclan. (Ver Fig. 43).
El modelo matemático se fundamenta en caracterizar el intercambiador y evaluar que tan
eficiente es para el enfriamiento del líquido (agua) en el tanque de agua fría (TK-100) de
la planta; para tal fin se instalaron sensores de temperatura (termistores NTC de 50 KΩ)
a la entrada y salida del intercambiador.
Para esto se debe encontrar el coeficiente de transferencia de calor U con base en el
área de superficie interior de los tubos.
Fig. 43 Intercambiador de Calor (Radiador) [Fuente el Autor]
Para realizar el experimento de identificación de las características del intercambiador,
se deben realizar mediciones de temperatura de entrada y salida de agua; temperaturas
de entrada y salida del aire; y calcular la razón de agua y de aire que ingresa al radiador.
68
Para realizar las mediciones de temperatura del aire se utilizo un instrumento para medir
humedad relativa y temperatura marca “AMPROBE TH1” (Ver Fig. 44) disponible en el
Laboratorio de Física de la Universidad Distrital FJC – Facultad Tecnológica.
Fig. 44 TH-1 Relative Humidity / Temperature Probe Style Meter
En la Tabla 16 se presentan las especificaciones del instrumento [33]
Tabla 16 Especificaciones Instrumento AMPROBE TH-1
Para realizar las mediciones de la velocidad del aire se utilizo un instrumento para medir
viento (anemómetro) marca “ADC Wind SILVA” (Ver Fig. 45) disponible en el Laboratorio
de Física de la Universidad Distrital FJC – Facultad Tecnológica.
Fig. 45 Instrumento para medir velocidad del viento
69
En la Tabla 17 se presentan las especificaciones del instrumento.[34]
Tabla 17 Especificaciones anemómetro
Sensor ADC Wind SILVA
Wind Measuring Range
0,3 to 40 m/s Resolution: 0,1 m/s
Units: m/s, km/h, mph, knots, ft/s
Temperature Measuring Range
-20 ºC to +40 ºC Resolution: 0,1 degree
Units: Celsius, Fahrenheit
Wind Chill Is measured from 12 ºC degrees and colder
Dimensions 109x50x20 mm
Weight 70 gr including battery and strap
Se realizan las siguientes suposiciones:
1. Existen condiciones estacionarias de operación.
2. Los cambios en las energías cinéticas y potenciales de las corrientes de los fluidos
son despreciables.
3. Las propiedades de los fluidos son constantes.
En la Fig. 46 y Fig. 47 se presentan algunas imágenes referentes a la medición de la
temperatura de entrada y salida del intercambiador activando el ventilador. Se tomaron
5 mediciones y luego se promediaron los datos de temperatura.
Fig. 46 Registro de temperatura del aire a la entrada del radiador
[Fuente el Autor]
Fig. 47 Registro de temperatura del aire a la salida del radiador [Fuente el Autor]
70
En la Fig. 48 y Fig. 49 se presentan algunas imágenes referentes a la medición de la
velocidad del viento en la entrada y salida del intercambiador de calor activando el
ventilador. Se tomaron 5 mediciones y luego se promediaron los datos de velocidad del
viento.
Fig. 48 Registro de velocidad del aire a la entrada del radiador [Fuente el Autor]
Fig. 49 Registro de velocidad del aire a la salida del radiador [Fuente el Autor]
En la Tabla 18 se muestran los datos obtenidos del intercambiador.
Tabla 18 Resultados de caracterización del intercambiador de calor
DATOS
Número de tubos n 39
Diámetro interno tubos iD 0,0046 m
Longitud de los tubos L 0,355 m
i nT del agua 38,7 ºC
outT del agua 36,7 ºC
71
i nT del aire 22,2 ºC
outT del aire 29,7 ºC
Razón de agua que ingresa al
intercambiador hm
0,24 L
seg
Razón de agua que ingresa al
intercambiador hm
0,23976 Kg
seg
Razón de aire que ingresa al
intercambiador cm
0,223 Kg
seg
Calor especifico del agua a 37,4 ºC
phC
4178 ºC
J
Kg
Calor especifico del aire a 25 ºC
pcC
1007 ºC
J
Kg
La razón de la transferencia de calor del agua caliente hacia el aire se determina con
base en un balance de energía sobre el flujo de agua:
ph i n outa ua
hg
Q m C T T
(47)
Se reemplaza los valores de la Tabla 18 en (47)
0,23976 4178 38,7ºC 36,7ºC 2003,4 4ºC
3J
K
KQ
g
gW
seg
(48)
El área de transferencia de calor del lado de los tubos es el área superficial total de éstos
y se determina a partir de (49)
s iA n D L (49)
Se reemplaza los datos en (49) así
239 0,0046 0,355 0,2s iA n D L m m m (50)
Conociendo la razón de la transferencia de calor y el área superficial, el coeficiente de
transferencia de calor total se puede despejar de (51)
,s ml CFQ U A F T
(51)
72
,s ml C F
QU
A F T
(52)
En donde F es el factor de corrección y, ,ml CFT es la diferencia media logarítmica de
temperatura para la disposición a contraflujo. Se encuentra que estas dos cantidades
son
1 , , 38,7ºC 29,7º 9 ºh ent c salT T T C C (53)
2 , , 36,7ºC 22,2º 14,5 ºh sal c entT T T C C (54)
Ahora se halla ,ml CFT
1 2
,
1
2
9 14,511,5322 º
9lnln
14,5
ml C F
T TT C
T
T
(55)
Luego se halla P y R
2 1
1 1
36,7 38,70,12
22,2 38,7
t tP
T t
(56)
1 2
2 1
22,2 29,73,75
36,7 38,7
T TR
t t
(57)
Relacionando los valores de P y R hallados en (56) y (57) respectivamente, se halla el
factor de corrección (F=0,95) de acuerdo al tipo de intercambiador de calor (radiador)
con un solo pasó con los fluidos de flujo no cruzado [9] (Ver Fig. 50)
Fig. 50 Factor de corrección para el radiador [Fuente el Autor]
73
Finalmente se sustituye los valores de sA ,
,ml CFT y Q
en (52) y de esta manera se
determina el coeficiente de transferencia de calor total.
22
,
2003,434914,3435
º0,2 0,95 11,5322 ºs ml C F
Q W WU
A F T m Cm C
(58)
6.3.4.1 Cálculo de la eficiencia del intercambiador - Método NTU
Las razones de capacidad calorífica de los fluidos caliente y frío se determinan a partir
de las ecuaciones (14) y (15) con los datos de valores específicos de la Tabla 18.
0,23976 4178 1001,7173ºC º
h phh
Kg J Wm C
s KC
g C
(59)
0,223 1007 224,561º ºC
c c pc
Kg J Wm C
s Kg CC
(60)
Por lo tanto él minC corresponde a la menor de las dos razones de capacidad calorífica
min 224,561
ºCcC C
W (61)
Las relaciones de eficiencia de los intercambiadores de calor incluyen el grupo
adimensional min
sU A
C . Esta cantidad se llama número de unidades de transferencia,
NTU (por sus siglas en inglés), y se expresa como:
s s
mi np mi n
U A U ANT
mC
C
U
(62)
En donde U es el coeficiente total de transferencia de calor y sA es el área superficial de
transferencia del intercambiador.
Nótese que el NTU es proporcional a sA . Por lo tanto, para valores específicos de U y
mi nC , el valor del NTU es una medida del área superficial de transferencia de calor s
A .
Por ende, entre mayor sea el NTU, más grande es el intercambiador de calor.
74
En el análisis de los intercambiadores de calor también resulta conveniente definir otra
cantidad adimensional llamada relación de capacidades caloríficas c
min
max
cc
c (63)
Se puede demostrar que la eficiencia de un intercambiador de calor es una función del
número de unidades de transferencia NTU y de la relación de capacidades c; es decir,
se reemplaza las ecuaciones (62) y (63) respectivamente
ºmin
max
224,561
1001,7173
WCc
cc
ºWC
0,224176
(64)
914,3435 W
s
mi n
U ANTU
C
2m ºC 20,2 m
º224,561W
C
0,81433 (65)
Para un intercambiador de flujo cruzado y de un solo paso con los fluidos no mezclados
la eficiencia se puede hallar mediante la siguiente ecuación [9]-[10]:
0,22
0,781 exp exp 1NTU
c NTUc
(66)
Se reemplaza los valores de c y NTU en (66)
0,22
0,780,814331 exp exp 0,224176 0,81433 1 0,5235
0,224176
(67)
La eficiencia es del 52,35% y se muestra en la Fig. 51.
75
Fig. 51 Eficiencia del radiador de automóvil [Fuente el Autor]
6.4 Experimento de identificación
Para hallar el modelo del sistema térmico se realizan los siguientes pasos que se
muestran en el organigrama de la Fig. 52.
1. Diseño experimento: Se usa una señal de entrada escalón o paso unitario, generada
desde la subrutina “Modo_Manual” en RSLogix5000 se activa por medio de la salida
digital “7” del PLC, el contacto “K7” que acciona un relé magnético conectado a la
resistencia térmica (HE 100), por medio del sensor RTD PT100 (TE 100) ubicado en el
tanque de suministro se observara la curva de reacción de proceso.
2. Selección de estructura: Se ingresan los datos de la curva de reacción de proceso
en el toolbox de identificación de MATLAB® (System Identification Toolbox), allí se
generan diferentes aproximaciones a arquitecturas de modelos continuos (primer orden,
segundo orden) y modelos discretos lineales (polinomios en ecuación en diferencias OE
(Output-Error), ARX (auto-regresivo con variable exógena), BJ (Box Jenkins), entre otros.
Se elegirá la estructura (modelo) que tenga un porcentaje alto de aproximación.
3. Cálculo de parametros: Después de escoger el modelo se describe la función de
transferencia que representa la respuesta dinámica del sistema térmico.
76
4. Validación: Se comprobara la respuesta del modelo hallado con el toolbox de
identificación con la respuesta de la curva de reacción de proceso experimental
(porcentaje de aproximación de los datos).
5. Modelo: Si la validación es correcta se representa la función de transferencia del
sistema térmico de la planta, si el porcentaje de aproximación no es el correcto se debe
iniciar el proceso en el paso 2 y seleccionar otra estructura de un modelo continuo o
discreto hasta encontrar los resultados deseados.
Fig. 52 Metodología de experimento de identificación
[Fuente el Autor]
Para realizar el experimento se debe garantizar un nivel de agua dentro del tanque de
suministro (TK-100) de 15 litros, para que el bulbo del sensor (TE 100) quede inmerso
en el fluido, luego se activa la salida digital del PLC “Local:2:O.Data.7” por medio de un
contacto “K7” que acciona un relé magnético conectado a la resistencia térmica (HE 100)
y se gráfica por medio del “Trend” de RSLogix5000 la evolución en el tiempo de la
temperatura dentro del tanque (Fig. 53).
77
Fig. 53 Curva de reacción de proceso planta en lazo abierto [Fuente el Autor]
Se importan los datos a MATLAB ® y a través del toolbox de identificación se generan
aproximaciones a modelos continuos y discretos, los cuales se muestran en la Fig. 54
Fig. 54 Identificación por System Identification Tool de MATLAB®
[Fuente el Autor]
78
Fig. 55 Porcentaje de aproximación modelos [Fuente el Autor]
Como se observa en la Fig. 55, se tienen buenas aproximaciones en los diferentes
modelos mayores a 76% pero la elección del mejor modelo se hace con base en el
porcentaje de aproximación y en el orden del polinomio.
Se elige el modelo continuo P1Z (Polinomio de primer orden con un cero), debido a que
describe con una aproximación del (93.94%) el comportamiento del sistema, suficiente
para representar la dinámica del sistema térmico, la función de transferencia de la planta
se expresa en (68)
209,4 0,1127
8164 1
sG s
s
(68)
En efecto, el aumento en la complejidad de los demás modelos no se ve reflejado en un
aumento significativo del porcentaje de aproximación a la respuesta del sistema, ejemplo
de esta situación es el modelo “bj33331” que solo tiene un porcentaje de aproximación
de 0,5% más que el modelo seleccionado.
6.4.1 Diseño del controlador PID por el lugar geométrico de las raíces
Por medio del comando sisotool de MATLAB® se realiza el diseño del controlador o
compensador para sistemas de una entrada y de una salida (sistemas SISO: Single Input
79
Single Output). De allí se puede elegir una gran variedad de arquitecturas como se
muestra en la Fig. 56
Fig. 56 Configuración de controladores en Sisotool de MATLAB®
La arquitectura mostrada en la “Configuration 1” cumple con la estructura planteada para
el controlador en lazo cerrado con un solo punto suma.
Se importa el modelo de la planta “P1Z” en sisotool de MATLAB® para realizar el diseño
del controlador PID teniendo en cuenta la respuesta transitoria del modelo de la planta
por el método de lugar geométrico de las raíces (LGR).
Los criterios de diseño se definen sobre el lugar de las raíces de la planta y se busca un
sobreimpulso menor al 20%, y un tiempo de estabilización menor a 10 minutos. Se
ingresan estos parámetros al editor del lugar de las raíces (LGR) y se demarca la zona
donde deben quedar los polos y los ceros de la planta (Ver Fig. 57) para satisfacer los
criterios de diseño del controlador.
Fig. 57 Lugar de las raíces de la planta en lazo cerrado
[Fuente el Autor]
80
El controlador PID diseñado consta de un (1) polo real, un (1) cero real y un (1) integrador.
Estas condiciones se agregaran al lugar de las raíces de la planta para realizar el diseño
de controlador, se modifica la ubicación de los polos y/o ceros observando la respuesta
al paso de nuestro sistema cumpliendo la zona de diseño planteada anteriormente.
El controlador diseñado se muestra en la pestaña “Compensator Editor” en donde se
observa que ha cambiado los valores de los polos y ceros, este modelo se exporta al
workspace de MATLAB®.
20,25904 2
1
2PI D
Cs
ss
s
s
(69)
Por medio del comando c2d de MATLAB® se discretiza el controlador [35] por el método
de invarianza al escalón (zoh):
El modelo del controlador discretizado es
20,25904 0,2642
1 0,3679PI D
zC z
z z
(70)
2
2
1002 1302,6 423,44
1,4729 0,4729PID
z zC
z zz
(71)
6.4.2 Implementación del controlador en el PLC
Para poder ejecutar el controlador se crea una rutina llamada “PID” en el lenguaje de
programación texto estructurado en RSLogix5000, en el cual se plantea la ecuación en
diferencias del controlador PID (Ver Fig. 58), con los valores de Kp=110.5125,
Ki=0.000864, Kd=0.0011525, y el tiempo de muestreo de 1 segundo.
81
Fig. 58 Controlador PID implementado en ecuación en diferencias [Fuente el Autor]
6.4.3 Resultados controlador PID
Para comprobar el funcionamiento del controlador PID, la condición inicial del sistema es
que el agua presente en el tanque de suministro (TK-100) está a una temperatura mayor
a la temperatura ambiente ya que el objetivo del proyecto es hacer un controlador de
temperatura para enfriar el líquido presente en el interior del tanque.
Por medio del intercambiador de calor (radiador) se hace recircular agua a través del
tanque; la acción de control es transmitida desde el PLC al variador de velocidad que a
su vez controla el flujo de salida de la bomba, y así permitir enfriar el líquido al valor de
temperatura o set point (SP) que ingrese el usuario en la HMI o el PLC. La variable de
proceso (PV) es el sensor RTD PT100 que esta al interior del tanque y registrara la
temperatura.
A continuación se presentan algunas gráficas de respuesta del sistema.
82
Fig. 59 Variable de proceso inicial (40 ºC) vs Set Point (33 ºC) [Fuente el Autor]
En la Fig. 59 se observa la repuesta del controlador y se evalúan los índices de
desempeño: Máximo sobreimpulso (Mp) y el tiempo de estabilización (tss) al criterio del
5% de la señal de referencia.
máx
% Mp 100%ambi ent e
PV SP
SP T
(72)
32,5ºC 33ºC
% Mp 6,25%33ºC 25ºC
(73)
9 minutos y 35 segundossst (74)
Fig. 60 Variable de proceso inicial (45 ºC) vs Set Point (38 ºC) [Fuente el Autor]
37,7ºC 38ºC
% Mp 2,3%38ºC 25ºC
(75)
2 minutos y 49 segundossst (76)
83
6.5 Arquitectura del sistema SCADA
El sistema SCADA utiliza una red de comunicación industrial para realizar el control
automático de un proceso, la arquitectura del sistema está compuesta de cuatro
elementos los cuales son:
1. La interfase: Permite la elaboración de las pantallas de usuario con múltiples
combinaciones de imágenes y textos sobre el sistema.
2. Las gráficas: Permiten representar la evolución en el tiempo de las variables que
intervienen en el sistema.
3. Las alarmas: Consiste en la vigilancia de parámetros de variables del sistema cuando
están en un valor no deseado que puede generar inconvenientes de funcionamiento en
el proceso, están dirigidas al operario del proceso.
4. Control / Supervisión: El sistema de control que lleva una variable del proceso a un
nivel deseado por el usuario.
Fig. 61 Diagrama de bloques general de un sistema SCADA
[Fuente el Autor]
La arquitectura del Sistema SCADA está conformada por la adquisición de datos por
medio del módulo análogo 1769-IF4 del sensor (RTD PT100) conectado con el PLC
CompactLogix L23E-QB1B en donde se realiza la acción de control PID implementado
mediante una ecuación en diferencias y se programan en texto estructurado las alarmas
de nivel bajo y alto del tanque; el PLC envía la señal de control a través del variador de
84
velocidad PowerFlex40 y la transmite a la bomba que genera un flujo de agua por el
intercambiador de calor hacia el tanque de agua Fría (TK-100).
El sistema de comunicación está dado por una red industrial Ethernet IP la cual enlaza
el PLC, la pantalla HMI, el variador de velocidad y la estación de programación (PC). (Ver
Fig. 62)
Fig. 62 Arquitectura sistema SCADA tanque agua fría de la PPA
[Fuente el Autor]
6.5.1 Creación de la red Ethernet
6.5.1.1 Configuración del computador
Para poder crear la red se debe tener instalados los siguientes programas de Rockwell
Automation en un computador:
RSLogix 5000
RSLinx Enterprise
RSLinx Classic
Factory Talk View Site Edition
La red de comunicación es una red industrial Ethernet IP en topología tipo estrella (Ver
Fig. 63).
85
Fig. 63 Red de comunicación Ethernet de la planta [Fuente el Autor]
Lo primero que se debe tener en cuenta son las direcciones IP’s que tendrán los equipos
en la red de comunicación. (Ver Tabla 19)
Tabla 19 Orden de las IPs en la red Ethernet [Fuente el Autor]
ASIGNACIÓN DE IP’s
Computador 130.130.130.200
PLC CompactLogix L23E-QB1B 130.130.130.81
Variador PowerFlex40 130.130.130.90
Pantalla HMI 130.130.130.70
Luego se realiza la configuración de la IP en el computador siguiendo estas
instrucciones:
1. Inicio Panel de Control
86
Fig. 64 Paso 1. Abrir el panel de control [Fuente el Autor]
2. Seleccionar Redes e Internet
Fig. 65 Paso 2. Seleccionar redes e internet [Fuente el Autor]
3. Abrir el Centro de redes y recursos compartidos
Fig. 66 Paso 3. Abrir el centro de redes y recursos compartidos [Fuente el Autor]
87
4. Seleccionar cambiar configuración del adaptador.
Fig. 67 Paso 4. Cambiar la configuración del adaptador de red [Fuente el Autor]
5. En conexión de área local Clic derecho Propiedades
Fig. 68 Paso 5. Configuración de red de área local [Fuente el Autor]
6. Seleccionar Protocolo de internet versión 4 (TCP/IPv4)Clic derechoPropiedades
Fig. 69 Paso 6. Selección Protocolo de Internet TCP/IP [Fuente el Autor]
88
7. Se ingresa la dirección IP del computador 130.130.130.200 y la máscara de subred
255.255.255.0
Fig. 70 Paso 7. Asignación de dirección IP del computador [Fuente el Autor]
6.5.1.2 Configuración de RSLinx Classic
Ubicar y abrir el programa RSLinx Classic para agregar a la red el PLC, la pantalla HMI
y el variador de velocidad [36].
Abierto el programa se elige “Communications” “Configure Drivers…” como se
muestra en la Fig. 71
Fig. 71 Pantalla inicial de RSLinx para configurar las IP’s de la red
[Fuente el Autor]
89
En la lista desplegable “Available Driver Types” se elige “Ethernet devices”.
En “Configured Drivers” se colocara el nombre de la red “AB_ETH-1”.
Fig. 72 Red Ethernet creada en RSLinx
[Fuente el Autor]
6.5.1.3 Configuración IP del computador
Se asigna la dirección IP del computador 130.130.130.81 a la red ethernet creada en
RSLinx.
Fig. 73 Asignación de dirección IP para el computador en RSLinx [Fuente el Autor]
6.5.1.4 Configuración IP de la HMI
Para poder leer y/o escribir las variables del PLC en la pantalla HMI Allen Bradley [21],
se debe agregar en la red ethernet creada en RSLinx la dirección IP de la pantalla
130.130.130.70 [37].
Fig. 74 Asignación de dirección IP para la HMI
[Fuente el Autor]
90
6.5.1.5 Configuración IP del PLC
Se asigna la dirección IP del PLC 130.130.130.81 a la red ethernet creada, para poder
leer y escribir las variables del PLC hacia la HMI y/o el variador de velocidad.
Fig. 75 Asignación de dirección IP para el PLC
[Fuente el Autor]
6.5.1.6 Configuración IP del variador
La planta cuenta con un PLC CompactLogix 1769-L23E-QB1B [16] y un variador
PowerFlex40 [17] los cuales se configuran en la red ethernet [38] para poder enviar la
señal de control al actuador (bomba).
Fig. 76 Asignación de dirección IP para el variador de velocidad [Fuente el Autor]
Por último se presenta la red ethernet creada para el proyecto.
Fig. 77 Red de comunicación ethernet en RSLinx de la planta
[Fuente el Autor]
91
6.5.1.7. Configuración del variador en RSLogix5000
Para la asignación de la IP dentro del programa RSLogix5000 se siguen los siguientes
pasos:
El variador cuenta con una tarjeta de comunicación 22-COMM-E, esta tarjeta tiene
asociada una MAC ID en el caso del variador es 00:1D:9C:B1:E7: AE.
La IP 130.130.130.90 será direccionada a la tarjeta de red del variador, configurándose
por medio del programa “BOOTP/DHCP”.
En la barra de herramientas se ubica “tools” seguido de “network settings” se configura
la máscara de subred y se da clic en “ok”. Luego de esto se elige la MAC del módulo de
comunicación del variador.
Fig. 78 Selección de la MAC del módulo de comunicación del variador de velocidad
[Fuente el Autor]
Después se procede a dar clic en el botón “Add Relational List”, en el cuadro de la
dirección IP se configura una IP fija para el variador, luego de esto se da clic en “ok”.
Fig. 79 Configuración IP variador PowerFlex40 en el programa “BOOTP/DHCP” [Fuente el Autor]
92
Se debe tener en cuenta que para que esta configuración quede fija se debe dar clic en
“Disable BOOTP/DHCP”. Deshabilitando en “BOOTP/DHCP” se logra que cada vez que
se prenda la planta el variador no emita una petición BOOTP y tome siempre la IP fija
130.130.130.90.
Luego se continúa agregando el dispositivo (variador) al proyecto de RSLogix5000, se
debe ubicar la tarjeta ethernet del PLC y se agrega un nuevo módulo. Aparece una lista
que contiene diversos módulos, dentro de drivers se debe buscar y seleccionar
PowerFlex 40-E, se valida dando clic en el botón “ok”.
Fig. 80 Selección variador PowerFlex40 en RSLogix5000 [Fuente el Autor]
Ahora se coloca el nombre al variador y la dirección IP, se ingresa a Series por medio
del botón “Change”.
Fig. 81 Configuración dirección IP del variador en RSLogix5000 [Fuente el Autor]
93
Aparecerá una ventana emergente llamada “Module Definition” en Electronic Keying, se
elige la opción “Disable Keying” y luego en “Match Drive”. En la siguiente ventana
emergente se debe dar clic en “Partial”. Saldrá una nueva ventana y aparecerá el
variador, se debe seleccionar y luego se da en el botón “ok”. Al dar ok se crea
automáticamente los archivos de las bases de datos y aparecerá un cuadro de diálogo
donde informa que terminó la operación exitosamente. Ahora se debe deseleccionar
“Use Unicast Connection over EtherNet/IP” y dar clic en “ok”.
Fig. 82 Desactivar “Unicast Connection Over EtherNet/IP” [Fuente el Autor]
Se debe guardar, descargar y poner modo “Run” el proyecto. Luego se debe dar clic
derecho en PowerFlex40 en “Properties”
Luego clic en la pestaña “Drive” y se selecciona “Connect to Drive” y se hace clic en “ok”.
En el cuadro de dialogo que aparece se debe descargar el driver del variador lo cual hará
que se descargue la base de datos de los parámetros del variador.
Fig. 83 Conectar el variador por medio del software RSLogix5000 [Fuente el Autor]
94
Al finalizar la descarga se observa que drive cambia a estado de conexión “Connected”.
(Ver Fig. 84).
Fig. 84 Configuración final del variador de velocidad
[Fuente el Autor]
6.5.1.8 Configuración del módulo análogo en RSLogix5000
Después de la creación un proyecto en RSLogix, se debe ubicar “Controller Organizer”
la carpeta “I/O Configuration”, se desplegará un árbol en el que se encuentra
“CompactBus Local” luego “Embedded I/O” y una carpeta “Expansión I/O”, se debe hacer
clic derecho y “New Module”. (Ver Fig. 85)
Fig. 85 Agregar modulo análogo al proyecto en RSLogix5000 [Fuente el Autor]
95
En la ventana New Module se ubica el módulo de entradas análogas cuya referencia es
Compact I/O module 1769-IF4 [18] y validando con un “ok” se nombrara el modulo y se
ingresa a “Configuration”. (Ver Fig. 86)
Fig. 86 Selección del módulo análogo 1769-IF4 [Fuente el Autor]
Como el sensor de temperatura (RTD PT100) esta cableado en el canal 3 se selecciona
esta entrada, se elige en que rango y que unidades de salida opera el sensor, para este
caso se selecciona el rango de 4-20mA. (Ver Fig. 87)
Para los dos sensores de temperatura (Termistores NTC) están cableados en el canal 0
y 1 respectivamente, el rango de configuración para el módulo análogo es de 0-10 VDC.
(Ver Fig. 87)
Fig. 87 Configuración módulo análogo [Fuente el Autor]
96
Para los sensores de temperatura (RTD PT100 y termistores) se crearon varias tareas
(Tasks) en RSLogix 5000 [39], debido a que el tiempo de respuesta de la RTD es de
100ms y de los termistores es de 50ms.
En el programa se debe configurar las tareas periódicas para que ejecuten la lectura de
los sensores en dicho tiempo. En las tareas de la lectura de los sensores se debe mover
las señales provenientes de cada uno de los canales del módulo análogo (Canal 0,1 y 3)
y se guardan en variables de tipo “DINT” correspondiente a cada sensor. Por último se
ingresa la ecuación característica de cada sensor en subrutinas diferentes.
6.6 Códigos realizados en RSLogix5000
La programación realizada en RSLogix5000 se realizó bajo el estándar IEC 61131-3
usando algunos de los lenguajes de programación definidos en la norma. [40]
Esta estándar trata de los lenguajes de programación y define los estándares de
lenguajes gráficos y lenguajes textuales para el PLC:
Lenguaje escalera (LD - Ladder Diagram), gráfico.
Diagrama de bloque de funciones (FBD - Function Block Diagram), gráfico.
Texto estructurado (ST - Structured Text), textual.
Lista de instrucciones (IL - Instruction List), textual.
Bloques de función secuenciales (SFC - Sequential Function Chart), con
elementos para organizar programas de computación paralela y secuencial.
6.6.1 Lectura de los datos de los sensores
Se programaron dos tareas periódicas: Una tarea para el sensor de temperatura RTD y
otra tarea para los sensores de temperatura termistores (Ver Fig. 88)
97
Fig. 88 Tareas periódicas para la lectura de los sensores de temperatura [Fuente el Autor]
En la tarea “PT100” se realiza la lectura de la RTD, se cuenta con dos rutinas, una
destinada para leer el canal análogo cada 100ms en el cual se encuentra cableado el
sensor (“Lectura_canal_3”) ; y otra rutina que realiza un procesamiento al dato capturado
por el sensor y la implementación de la ecuación linealizada del sensor
(“Ecuación_RTD”). Ver Fig. 89 y Fig. 90 respectivamente.
Fig. 89 Programación en Ladder de lectura del módulo análogo RTD [Fuente el Autor]
Fig. 90 Programación en texto estructurado para linealización sensor PT100 [Fuente el Autor]
98
En la tarea “Termistores” se realiza la lectura de los dos termistores de tipo NTC y se
cuenta con dos rutinas, una destinada para los canales análogos 0 y 1 cada 50ms en el
cual se encuentra cableados los elementos primarios (“Lectura_canal_0_1”) y otra rutina
que realiza un procesamiento a los datos capturado por los sensores y la implementación
de las ecuaciones de linealización (“Ecuación_NTC”). Ver Fig. 91 y Fig. 92
respectivamente.
Fig. 91 Programación en Ladder de lectura de módulo análogo para los termistores [Fuente el Autor]
Fig. 92 Programación en texto estructurado para la linealización de los termistores [Fuente el Autor]
En la tarea principal “Main Task” se creó un programa principal llamado “Main Program”,
allí se encuentran las subrutinas que componen la programación en RSLogix5000. (Ver
Fig. 93).
99
Fig. 93 Rutinas creadas en el programa principal
[Fuente el Autor]
6.6.2 Subrutinas
Algunas subrutinas son llamadas del programa principal llamado “MainRoutine”, el cual
permite por medio de una programación en Ladder acceder o no a algunas rutinas que
componen el sistema.
Fig. 94 Llamado subrutinas en Ladder del “Main Routine” [Fuente el Autor]
6.6.2.1 Inicializar Variables
Esta subrutina permite inicializar el estado de las variables que intervienen en todo el
proceso y que son compartidas en algunas rutinas del proyecto. (Ver Fig. 95).
100
Fig. 95 Subrutina inicializar variables en texto estructurado [Fuente el Autor]
6.6.2.2 Select
Esta subrutina hace un llamado a la rutina “Inicializar Variables” por medio de un grafcet
(Ver Fig. 96) que permite al usuario discriminar el funcionamiento de las rutinas de “modo
manual” y la “rutina PID” ya que poseen variables compartidas; admite de manera
secuencial y paralela acceder a una subrutina a la vez desde botones dispuestos en la
pantalla HMI.
Fig. 96 Subrutina de acceso a rutina manual o rutina PID en grafcet [Fuente el Autor]
101
6.6.2.3 Modo Manual
En esta subrutina el usuario puede activar o desactivar algunos componentes de la
planta, entre los actuadores tenemos (la resistencia térmica, electroválvulas, el variador
de velocidad) y objetos de señalización (balizas). En la Fig. 97 se puede ver la
representación en Ladder de la subrutina que puede activarse desde el PLC o desde
botones dispuestos en una interfaz de la pantalla HMI.
Fig. 97 Subrutina Modo Manual en Ladder
[Fuente el Autor]
6.6.2.4 Alarmas
El tanque de suministro (TK-100) cuenta con sensores de nivel digitales instalados en el
nivel bajo y el nivel alto, se realiza el código en texto estructurado manejando la siguiente
lógica booleana, ver Tabla 20 y Fig. 98 respectivamente.
Tabla 20 Lógica de estados de alarma para el tanque de suministro [Fuente el Autor]
Tanque de Suministro
Nivel Bajo Nivel Alto Alarma Alto Alarma Bajo 0 0 0 1
0 1 0 0
1 0 0 0
1 1 1 0
102
Fig. 98 Subrutina de alamas en texto estructurado para el tanque de suministro [Fuente el Autor]
6.6.2.5 Control On-Off
Por medio de las alarmas predefinidas en el tanque de suministro, se generó una
subrutina para realizar el control de nivel máximo del tanque de agua fría, es decir si por
alguna razón durante el proceso la alarma de nivel alto es activada “1” lógico por el
sensor de nivel tipo interruptor (LAH 100), automáticamente se genera un comando hacia
el variador de velocidad para que disminuya su velocidad a cero.
También se generó la condición de nivel bajo del sensor (LAL 100) para que si se activa
la alarma de nivel bajo “0” lógico, significa que no hay suficiente nivel de agua en el
tanque de suministro y automáticamente envía la señal de control al variador de
velocidad para que disminuya su velocidad a cero.
Fig. 99 Subrutina Control On-Off [Fuente el Autor]
103
6.6.2.6 Resultado Control On-Off
A continuación se presenta el estado de las variables involucradas en la alarma de nivel
máximo del tanque de suministro de la planta, en la Fig. 100 se observan las variables
“Alarma_L_H” vs “PowerFlex_40:O.FreqCommand”.
Fig. 100 Implementación Controlador On-Off
[Fuente el Autor]
6.7 Diseño de interfaz gráfica de usuario
La tarea de mantener informado al operador de lo que está aconteciendo en su
instalación ha sido cada vez más fácil de plasmar físicamente, ya no basta colocar un
indicador, a veces es necesario colocar una imagen de conjunto para saber el progreso
del proceso. Por ello, la interfase HMI (Human Machine Interface, Interfaz Hombre-
Máquina) se ha centrado principalmente en la interacción entre el operario y la máquina.
Algunas reglas de oro deben tenerse en cuenta a la hora del diseño de interfaces [41]:
Dar control al usuario.
Reducir la carga de memoria del usuario.
Consistencia.
Regla 1: Dar control al usuario:
El diseñador debe dar al usuario la posibilidad de hacer su trabajo, en lugar de suponer
qué es lo que éste desea hacer. La interfaz debe ser suficientemente flexible para
adaptarse a las exigencias de los distintos usuarios del programa.
Regla 2: Reducir la carga de memoria del usuario
La interfaz debe evitar que el usuario tenga que almacenar y recordar información.
104
Regla 3: Consistencia
Permite al usuario utilizar conocimiento adquirido en otros programas. Ejemplo: mostrar
siempre el mismo mensaje ante un mismo tipo de situación, aunque se produzca en
distintos lugares.
Para realizar la interfaz gráfica en pantallas de visualización se deben tener en cuenta el
estado de los actuadores (motores, válvulas, equipos de señalización, sensores de nivel
etc.), cambio de estado de “On” y “Off” por medio de colores que permitan al usuario
identificar eventos, alarmas según normas internacionales como el estándar ANSI/ISA-
101.01-2015 [42] y el estándar ISA-S5.5-1985[43]. Para las distintas señales que
interactúan en la planta se utiliza la siguiente tabla de colores según su estado:
Tabla 21 Colores de estado utilizados para la programación HMI
La norma ISO 9241 y EN 29241 [44] trata del diseño ergonómico de programas para
equipos con pantallas de visualización de datos (“Ergonomics requirements of visual
display terminals (VDT’s) used for office Tasks”), la aplicación debe estar adaptada a las
distintas tareas que requiera el usuario, debe informar el progreso de manera
comprensible , debe ser clara y sencilla de utilizar, el uso de tendencias y de los colores
son de complemento informativo, las pantallas de una misma categoría deben tener el
mismo color de fondo, los caracteres de la pantalla deben estar bien definidos y claros
para que cualquier persona comprenda su significado y relacione acciones del proceso
con la interfaz.
105
6.8 FactoryTalk View
FactoryTalk View (FTV) [45] es el software de Rockwell para diseñar aplicaciones en
pantallas HMI, tiene la ventaja de crear compatibilidad directa con dispositivos ethernet
lo cual hace más simple la conexión con el PLC.
Se crea un archivo nuevo en FactoryTalk View luego el programa se abrirá y se dará
doble clic en “Project Settings” con el fin de configurar la ventana de diseño al tamaño de
la pantalla. La resolución que posee la HMI es de 400/600 (320x240).
A través de la red ethernet se pueden enlazar las variables del PLC con objetos, figuras,
cajas de texto, botones, tendencias, etc.; de las distintas pantallas de visualización
creadas en la HMI.
Fig. 101 Ejemplo del enlace de variables del PLC y objetos de la pantalla HMI [Fuente el Autor]
6.8.1 Alarmas en FactoryTalk View
Para configurar las alarmas visuales en la Interfaz HMI se debe tener en cuenta el
estándar ANSI/ISA–S18.1–1979 (R1992) [46]; únicamente basta con relacionar las
variables “Alarma_L_H” y “Alarma_L_L” provenientes de los sensores de nivel digitales
conectados a dos entradas digitales del PLC, y dichas variables serán monitoreadas en
la pantalla HMI por el usuario. A continuación se presenta una serie de pasos para
enlazar las variables y publicar el mensaje en la pantalla.
106
Para ello se debe configurar las alarmas en el “Explorer” del proyecto y se debe elegir
“Alarms” “Alarm Setup” en FactoryTalk View. (Ver Fig. 102).
Fig. 102 Configuración de alarmas [Fuente el Autor]
Luego en las pestaña “Triggers” se debe seleccionar “Add…” y en Tag se enlazan las
variables entre el PLC y la pantalla HMI que se usaran como variabels de activación de
las alarmas.
Fig. 103 Selección de variables de activación de alarmas desde el PLC [Fuente el Autor]
Con las variables seleccionadas en la pestaña “Message” se coloca el mensaje que se
quiere ver en la pantalla, para este caso se generan dos mensajes: uno para el nivel alto
y el otro para el nivel bajo del tanque de suministro. (Ver Fig. 104 y Fig. 105)
respectivamente.
107
Fig. 104 Mensaje alarma de nivel bajo [Fuente el Autor]
Fig. 105 Mensaje alarma de nivel alto [Fuente el Autor]
Para dejar configuradas las alarmas en la pestaña “Messages” se encuentra la columna
“Trigger value” se le asigna un “1” para que la variable cambie de estado y se activa
“Display” para que envíe el mensaje a la pantalla.
108
Fig. 106 Configuración valor del Trigger para las alarmas [Fuente el Autor]
Por último se muestra como se ven las alarmas en la pantalla HMI:
Fig. 107 Alarma de nivel alto tanque de suministro [Fuente el Autor]
Fig. 108 Alarma de nivel bajo tanque de suministro [Fuente el Autor]
6.8.2 Pantallas en FactoryTalk View
Para crear las distintas pantallas de la HMI, se utiliza la librería “Symbol Factory” que
contiene imágenes de elementos que se usan a nivel industrial como (sensores, botones,
tanques, actuadores, flechas, tuberías, válvulas, etc.); a continuación en “Displays” se
109
crean las distintas pantallas con las que el usuario podrá interactuar y se asocian las
variables del PLC con los objetos. (Ver Fig. 109).
Fig. 109 Pantallas creadas en la HMI [Fuente el Autor]
6.8.3 Descripción de las ventanas
6.8.3.1 Ventana Principal: Se encuentra el nombre del proyecto, el nombre de los
autores del mismo y el nombré de la Universidad; además se tienen 4 botones de acceso
descritos así: (Ver Fig. 110)
Enfriamiento: Permite visualizar el tanque en el cual se va a realizar el control de
temperatura con sus elementos primarios y el registro de la variables.
110
PID: El usuario puede acceder a la ventana donde se realizara el control de
temperatura, podrá ingresar el Set Point y obtener la tendencia de las señales que
intervienen en el proceso de temperatura.
Manual: Donde el usuario accederá a una representación de la planta donde
podrá accionar algunos elementos de forma manual como (activar la baliza,
activar la resistencia, activar válvulas solenoides, activar el radiador, programar el
variador de velocidad).
Apagar: Este botón permite cerrar y apagar la aplicación actual y poder cargar
otra interfaz que esta almacenada en la pantalla HMI.
Fig. 110 Pantalla principal interfaz HMI [Fuente el Autor]
6.8.3.2 Ventana Tanque de Suministro: Se ingresa a través del botón de “Enfriamiento”
de la pantalla principal, aquí se muestra el registro en grados centígrados (ºC), de los
sensores de temperatura que están instalados dentro del tanque y fuera del tanque a la
entrada y salida del intercambiador de calor (radiador), además se visualizan alarmas
por los sensores de nivel bajo y alto que están instalados en el tanque; posee un botón
de “TREND” donde se visualiza la temperatura en (ºC) y corriente en (mA) del sensor
RTD PT100 a manera de tendencia; cuenta con un botón “BACK” para regresar a la
pantalla principal. (Ver Fig. 111)
111
Fig. 111 Tanque de suministro de la planta [Fuente el Autor]
6.8.3.3 Ventana Gráfica RTD: Se ingresa a través del botón de “TREND” de la ventana
tanque de suministro, aquí se muestra la tendencia del sensor RTD PT100 donde se
grafican las variables de Temperatura (ºC) y corriente (4-20mA), posee botones para
manipular la gráfica entre ellos tenemos (Next Pen, Move Left, Home, End, Move Right,
Pause, Move Up y Move down); cuenta con un botón “BACK” para regresar a la pantalla
anterior de tanque de suministro. (Ver Fig. 112)
Fig. 112 Pantalla de tendencia del sensor RTD
[Fuente el Autor]
6.8.3.4 Ventana PID: Se ingresa a través del botón “PID” de la pantalla principal, posee
un botón que activa la rutina “PID” del PLC, el usuario podrá ingresar el Set Point (SP)
de temperatura y visualizar en un gráfico de barras (bar gauge) y/o tendencia del estado
de las variables SP y Process Value (PV) que es la señal del sensor RTD ubicado en el
tanque de suministro; por ultimo cuenta con un botón “BACK” para regresar a la pantalla
principal. (Ver Fig. 113)
112
Fig. 113 Pantalla de respuesta del controlador PID
[Fuente el Autor]
6.8.3.5 Ventana PPA MANUAL: Se ingresa a través del botón “Manual” de la pantalla
principal, aquí se muestra un esquema general de los componentes que componen la
planta, posee un botón que activa la rutina en el PLC “Modo_Manual” y permite
interactuar a través de botones con algunos elementos como (el radiador, la resistencia
térmica (electrón), las válvulas solenoides, la baliza de señalización y configurar el
variador de velocidad); también se muestra el estado de los sensores de nivel bajo y alto
del tanque de suministro; cuenta con un botón “BACK” para regresar a la pantalla
principal. (Ver Fig. 114)
Fig. 114 Pantalla de manipulación manual de componentes de la PPA
[Fuente el Autor]
6.8.3.6 Ventana Variador: Se ingresa a través del botón de “PowerFlex40” de la ventana
“PPA MANUAL”, aquí se muestra los parámetros con los que se puede configurar el
variador de velocidad entre ellos tenemos (Start, Stop, Ingrese velocidad), también están
113
disponibles activar las válvulas solenoides que están ubicadas en el tanque de suministro
(EV1) y la válvula de salida del tanque de agua caliente (EV2) respectivamente para
permitir el flujo de líquido (Agua) hacia los tanques mencionados; finalmente cuenta con
un botón “BACK” para regresar a la pantalla “PPA MANUAL”. (Ver Fig. 115)
Fig. 115 Pantalla para cambiar parámetros del variador de velocidad
[Fuente el Autor]
114
7. Conclusiones
Los sensores industriales de temperatura permiten adaptación con facilidad a sistemas
de almacenamiento o procesamiento de líquidos, no obstante siempre se debe hacer un
estudio previo a la adquisición de los sensores donde se analice el tipo de conexión a
proceso, las señales de salida y sus características estáticas como (rango, sensibilidad,
repetibilidad, exactitud, tiempo de respuesta, etc.)
El variador de velocidad PowerFlex40, gracias al protocolo de comunicación industrial
Ethernet permite ahorrar costos en cableado y facilita al usuario la manipulación de sus
parámetros con tres comandos básicos (“Start”, “Stop” y “FreqCommand”) que son
enviados desde el PLC.
Al realizar el proceso de identificación con señal paso se pueden estimar modelos
cercanos a la dinámica del sistema y a partir de ellos diseñar algoritmos de control para
lograr controlar variables en un proceso térmico.
El Sistema SCADA permite al usuario manipulación bidireccional de datos en tiempo real
entre la pantalla HMI y el PLC, a través de elementos propios de la interfaz como botones,
objetos, tendencias, alarmas, etc.
Para aumentar la eficiencia del intercambiador de calor es imprescindible instalar
sensores de caudal y sensores de presión a la entrada y salida del radiador que permitirá
mejorar la aproximación de la identificación y a su vez tendrá en cuenta todas las
variables que afectan la eficiencia y transferencia de calor en el sistema.
El intercambiador de calor presenta un porcentaje de eficiencia relativamente bajo,
debido a la disposición geométrica, donde se presenta perdidas ya que no se concentra
el flujo másico frio en toda el área de convección del radiador. La falta de recursos
económicos provoca la implementación de un radiador usado, que induce en desgaste e
imperfecciones en su interior.
115
8. Recomendaciones
Implementar un sistema de refrigeración por compresión para mejorar el tiempo de
enfriamiento dentro del tanque de suministro, a su vez trabajar a temperaturas menores
a la temperatura ambiente.
Para futuros proyectos se debe diseñar e implementar un sistema de control MIMO
(“multiple-inputs, multiple-outputs) en el cual interactúen las variables de las etapas de
enfriamiento, calentamiento y mezcla de la planta y así se convierta en un proceso de
recetas o proceso batch.
Diseñar una base de datos en FactoryTalk View SE y Microsoft SQL Server, en donde
se podrá almacenar alarmas, eventos, registros y archivos de las distintas variables que
intervienen en la planta.
Para aumentar el rango de temperaturas que se pueden manejar dentro de las diferentes
etapas que componen la planta, se sugiere cambiar los tanques por otro material distinto
al acrílico como por ejemplo el acero inoxidable, ya que actualmente si se trabajan
temperaturas superiores a 60 ºC el acrílico presenta deformación o deterioro a largo
plazo.
116
9. Bibliografía
[1] R. Molina, C. Machado, and J. Vergara, “Prototipo Para Control Automático De Nivel Y Caudal De Líquidos,” Ingenius Revista De Ciencia Y Tecnología, vol. 6. Quito (Ecuador), pp. 9–18, 2011.
[2] L. Lozano Valencia, L. Rodríguez García, and D. Giraldo Buitrago, “Diseño,
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[34] Silva Sweden AB, “ADC Wind - User Manual.” Sollentuna (Sweden), p. 39, 2010.
[35] K. Ogata, Sistemas De Control En Tiempo Discreto. México D.F.: PRENTICE-HALL
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[36] Rockwell Automation Inc., “Configuración de la red EtherNet/IP - Manual de Usuario.”
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[37] Rockwell Automation Inc., “Sistemas de control Logix5000 : Conexión de un terminal
PanelView Plus Terminal mediante una red EtherNet / IP.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 56, 2012.
[38] Rockwell Automation Inc., “Sistemas de control Logix5000 : Conexión de variadores
PowerFlex 40 mediante una red EtherNet / IP.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 36, 2012.
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[39] Rockwell Automation Inc., “Logix5000 Controllers Tasks , Programs , and Routines - Programming Manual.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 73, 2014.
[40] K. H. John and M. Tiegelkamp, “IEC 61131-3: Programming Industrial Automation
Systems,” Concepts and Programming Languages, Requirements for Programming Systems, Decision-Making Aids. Springer Berlin Heidelberg, p. 376, 2001.
[41] P. Rodríguez V., Diseño de Interfaces Hombre - Máquina (HMI). Valdivia (Chile).
[42] The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA), “ANSI/ISA–101.01-2015 :
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[43] The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA), “ISA-S5.5-1985 : Graphic
Symbols for Process Displays,” American National Standard, no. 3 February 1986. pp. 1–
48, 1985.
[44] A. Rodríguez Penin, “Sistemas SCADA.” MARCOMBO, S.A., Barcelona (España), p. 448,
2007.
[45] Rockwell Automation Inc., “FactoryTalk View Machine Edition and PanelView Plus –
Project Skills.” Milwaukee, Wisconsin (USA), p. 155, 2012.
[46] The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA), “ANSI/ISA–S18.1–1979
(R1992) : Annunciator Sequences and Specifications,” American National Standard, no. 15 July 1992, p. 54, 1992.
120
10. Anexos
10.1 Manual de Prácticas de Laboratorio
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA - INGENIERÍA EN CONTROL
PRÁCTICA 1: Reconocimiento de la PPA
Objetivos:
Reconocer el diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID) de la planta.
Reconocer los elementos que componen el panel frontal de la planta.
Realizar el modelo físico de los componentes que integran la planta basados en
el estándar ISA88.
Materiales utilizados
Planta de procesos análogos (PPA)
Metodología
1. Por medio del diagrama P&ID de la planta, realizar una tabla en la que se describan
los elementos que allí se muestran, ser detallado en la descripción dando características,
dimensiones y funciones de cada elemento si es posible.
121
TAG ELEMENTO DESCRIPCIÒN
122
2. Analice el panel frontal de la planta y realice una tabla descriptiva de los elementos
que conforman el panel.
ELEMENTO DESCRIPCIÓN
123
3. Relacionando la información del diagrama PI&D elabore el modelo físico de la planta
que se propone el estándar ISA88 para jerarquizar los equipos de la planta en términos
de células, unidades, módulos de equipos y módulos de control.
124
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FACULTAD TECNOLÓGICA - INGENIERÍA EN CONTROL
PRÁCTICA 2: Características Estáticas En Una Medición
Objetivos:
Afianzar los conceptos de las características estáticas en una medición.
Entender la importancia de la instrumentación industrial en la medición de
variables en un sistema real.
Materiales utilizados:
Planta de procesos análogos (PPA)
Pinza amperimétrica
Metodología
1. Defina los siguientes conceptos:
1.1. Instrumentación industrial
1.2. Metrología
1.3. Error de linealidad
1.4. Rango
1.5. Zona muerta
125
1.6. Span
1.7. Histéresis
1.8. Sensibilidad
1.9. Repetibilidad
1.10. Error Sistemático
1.11. Error Bias
1.12. Varianza
1.13. Desviación Estándar
1.14. Exactitud
2. Respuesta del sensor RTD PT100
Para realizar la toma de datos del lazo de corriente (4-20mA) del sensor de temperatura
(PT100), coloque la pinza amperimétrica en el rango de miliamperios (mA) y conéctela
en el canal 3 del módulo análogo 1769-IF4 tal como se muestra en la figura, tabule los
datos en la tabla.
126
Corriente (mA) Temperatura (ºC)
3. Grafique la respuesta del sensor a partir de los datos obtenidos.
4. Lleve la temperatura del tanque de suministro a valores de 25,30,35,40,45 y 50 grados
celsius, compare el dato que se muestra en la pantalla HMI con el valor de la cámara
termográfica FLIR i7 (patrón), llene la tabla con el dato visualizado en la HMI.
No.
Valor Medido en grados centígrados (ºC)
25 30 35 40 45 50
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5. A partir de los datos obtenidos calcule (error sistemático, error bias, varianza,
desviación estándar y exactitud).
127
Puede usar una herramienta como Microsoft Excel® para facilidad en los cálculos
estadísticos de los datos, presente los resultados en la siguiente tabla.
Patrón [ºC] 25 30 35 40 45 50
Promedio
Error Sistemático
Error Bias
Varianza
Desviación Estándar
Exactitud
128
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FACULTAD TECNOLÓGICA - INGENIERÍA EN CONTROL
PRÁCTICA 3: Modelo Experimental
Objetivos:
Realizar experimentos de identificación con señal paso por medio de un programa
realizado en RSLogix5000 para obtener un modelo matemático aproximado del
sistema.
Obtener el modelo experimental del sistema térmico en la etapa de enfriamiento
de la planta.
Materiales utilizados:
Planta de procesos análogos (PPA)
Computador
Software RSLogix 5000
Software RSLinx Classic
Computador
Software MATLAB®
Para realizar el modelo experimental se debe familiarizar con la planta, analice el
diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID) antes de realizar el experimento.
129
Compare el diagrama P&ID con la planta de procesos análogos (PPA), se recomienda
verificar e identificar los elementos. Después de analizar toda la planta nos centraremos
en el funcionamiento de la planta en el tanque de suministro (TK-100).
1. Realice el modelo del sensor RTD PT100 y obtenga la ecuación característica.
2. Implemente la ecuación del sensor en el software RSLogix5000 por medio de cualquier
lenguaje de programación (Norma IEC61131-3).
3. Estimule con una señal paso el actuador resistencia térmica (HE 100), por medio de
la salida digital “7” del PLC.
3.1 Crear un “Trend” en RSlogix5000 donde se pueda visualizar la variable de
temperatura de la RTD.
130
3.2 Cuando observe que se estabilice la planta detenga el experimento e importe los
datos a MATLAB®.
4. Ejecute el comando Ident en el workspace de MATLAB®, para abrir el toolbox de
identificación de sistemas.
4.1 Evalúe diferentes arquitecturas de modelos paramétricos (primer orden, segundo
orden, etc.) a partir de la curva de reacción de proceso.
4.2 ¿Cuál es el modelo que selecciono y porque?
5. Realice un nuevo experimento donde utilice arquitectura de modelos discretos (ARX,
ARMAX, BJ, OE, etc.), compare con el modelo anterior y describa cual tiene mejor
aproximación a la planta.
131
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PRÁCTICA 4: Diseño de un Controlador PID
Objetivos:
Diseñar e implementar un controlador PID
Materiales utilizados:
Planta de procesos análogos (PPA)
Computador
Software RSLogix 5000
Software RSLinx Classic
Software MATLAB®
1. ¿Cuántos polos y cuantos ceros tiene un PID en tiempo discreto?
2. Con el modelo seleccionado en el laboratorio 3 diseñe un controlador PID.
a) Cargue el modelo de la planta al toolbox Sisotool de MATLAB®,
132
b) Defina las condiciones de diseño (Máximo sobre impulso menor al 25% y
tiempo de estabilización menor a 10 minutos).
c) Obtenga la función de transferencia del controlador PID y el valor de ganancia
proporcional (Kp), la ganancia integral (Ki) y la ganancia derivativa (kd)
d) Implemente en una rutina en texto estructurado en RSLogix5000, la ecuación
en diferencias del PID e ingrese las constantes Kp. Ki y Kd.
e) Pruebe el controlador PID y grafique la respuesta del sistema.
f) Analice las gráficas de respuesta del controlador y calcule el máximo sobre
impulsó, tiempo de estabilización. ¿Se cumplieron las condiciones de diseño
del PID?
133
10.2 Cámara Termográfica FLIR i7
Para la calibración de los sensores de temperatura presentes en la etapa de enfriamiento
de la planta se usó la cámara termográfica de la serie-i7 de FLIR [28] (Ver Fig. 116), las
especificaciones y el certificado de calibración del instrumento dadas por el fabricante se
encuentran en Fig. 117 y la
Tabla 22 respectivamente.
Fig. 116 Cámara termográfica FLIR i7
Fig. 117 Certificado de calibración cámara termográfica FLIR i7
134
Tabla 22 Especificaciones cámara termográfica FLIR i7
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
Rango espectral 7,5 ... 13 µm
Resolución espacial (IFOV) 3,71 mRad
Frecuencia de imagen 9 Hz
Enfoque Fijo
Matriz de plano focal (FPA) Microbolómetro no refrigerado
Pantalla LCD de 2,8" a color
Rango de la temperatura del objeto -20 ... +250 °C
Precisión ±2 °C o ±2 % de lectura
Corrección del grado de emisión Variable de 0,1 a 1,0 seleccionada de una lista de materiales
Corrección de temperatura ambiental reflejada
Automática, en función de la entrada de temperatura reflejada
Gama de color Hierro, arco iris y blanco/negro
Controles de configuración Adaptación local de unidades, idioma, formatos de fecha y hora;
desconexión automática, intensidad de la pantalla
Tipo de tarjeta de almacenamiento Tarjeta mini SD
Formato Jpeg estándar, incluye 14 bit de datos de medición
Tipo de acumulador Acumulador ion-litio recargable
Duración del acumulador 5 horas, en la pantalla se indica el estado de la batería
Sistema de recarga En la cámara, adaptador de CA; 3 horas hasta
90 % de su capacidad
Alimentación por un componente de red
Adaptador de red, entrada 90 a 260 VAC
Administración de la energía Desconexión automática (a elección del usuario)
Tensión del adaptador Salida de 5 V DC
Rango de temperatura operativa 0 ... +50 °C
Temperatura de almacenamiento -40 ... +70 °C
Humedad del aire Funcionamiento y almacenado IEC 60068-2-30/24 h 95 % H.r.
Golpes 25 G (IEC 60068-2-29)
Oscilaciones 2 G (IEC 60068-2-6)
Tipo de protección de la carcasa Carcasa y objetivo: IP 43
Dimensiones 223 x 79 x 85 mm
Peso 365 g con acumulador