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AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL 299013 Profesor: Leonardo Andrés Pérez, MSc 1 Informe Unidad II Juan Camilo Pedraza, cédula Elkin Quintero, cédula Luis Ernesto Ayala, cédula Wilson Alexander Huertas, C.C 3.216.360 Grupo 5, Año 2015 Programa de Ingeniería electrónica Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD, Bogotá - Colombia ABSTRACTO En el presente trabajo se abordaran las pautas necesarias para el diseño de un sistema de control PID que permita controlar variables de nivel, como es el llenado y vaciado de tres tanques dentro de una cervecería; y una variable de temperatura dentro de uno de los tanques. Además, se seleccionarán los elementos de censado y de control final como lo son las electroválvulas. Palabras clave: electroválvula, sensor, controlador, PID, función de transferencia, trasmisor, sintonización, temporizador INTRODUCCION El diseño de sistemas de control moderno, ha marcado un hito en el desarrollo de los procesos industriales automáticos. En el presente trabajo se desarrollaran las pautas básicas para el desarrollo de un controlador PID, que sea capaz de mantener los parámetros óptimos de operación en cuanto a nivel y temperatura se refiere, dentro de una fábrica de cerveza casera. Por último, se seleccionaron los elementos finales de control; pudiendo conocer sus características, parámetros y características. 1. MARCO TEORICO 1.1 VALVULAS DE CONTROL. En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de la regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el caudal de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador. El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y está provisto de de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la función de paso del fluido y puede actuar en

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A U T O MA TI Z A CI Ó N I N D U S T R I A L – 2 9 9 0 1 3 Profesor: Leonardo Andrés Pérez, MSc

1

Informe Unidad II

Juan Camilo Pedraza, cédula

Elkin Quintero, cédula

Luis Ernesto Ayala, cédula

Wilson Alexander Huertas, C.C 3.216.360

Grupo 5, Año 2015

Programa de Ingeniería electrónica – Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD, Bogotá - Colombia

ABSTRACTO

En el presente trabajo se abordaran las pautas necesarias para el diseño de un sistema de control PID que

permita controlar variables de nivel, como es el llenado y vaciado de tres tanques dentro de una

cervecería; y una variable de temperatura dentro de uno de los tanques. Además, se seleccionarán los

elementos de censado y de control final como lo son las electroválvulas.

Palabras clave: electroválvula, sensor, controlador, PID, función de transferencia, trasmisor,

sintonización, temporizador

INTRODUCCION

El diseño de sistemas de control moderno, ha

marcado un hito en el desarrollo de los procesos

industriales automáticos.

En el presente trabajo se desarrollaran las pautas

básicas para el desarrollo de un controlador PID,

que sea capaz de mantener los parámetros

óptimos de operación en cuanto a nivel y

temperatura se refiere, dentro de una fábrica de

cerveza casera.

Por último, se seleccionaron los elementos

finales de control; pudiendo conocer sus

características, parámetros y características.

1. MARCO TEORICO

1.1 VALVULAS DE CONTROL.

En el control automático de los procesos

industriales la válvula de control juega un papel

muy importante en el bucle de la regulación.

Realiza la función de variar el caudal del fluido

de control que modifica a su vez el caudal de la

variable medida comportándose como un

orificio de área continuamente variable. Dentro

del bucle de control tiene tanta importancia

como el elemento primario, el transmisor y el

controlador.

El cuerpo de la válvula contiene en su interior el

obturador y los asientos y está provisto de de

rosca o de bridas para conectar la válvula a

la tubería. El obturador es quien realiza

la función de paso del fluido y puede actuar en

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la dirección de su propio eje o bien tener un

movimiento rotativo. Esta unido a

un vástago que pasa a través de la tapa del

cuerpo y que es accionado por el servomotor.

1.2 SENSOR DE TEMPERATURA

Los sensores de temperatura son dispositivos

que transforman los cambios de temperatura en

cambios en señales eléctricas que son

procesados por equipo eléctrico o electrónico.

Hay tres tipos de sensores de temperatura, los

termistores, los RTD y los termopares.

El sensor de temperatura, típicamente suele estar

formado por el elemento sensor, de cualquiera

de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve

y que está rellena de un material muy conductor

de la temperatura, para que los cambios se

transmitan rápidamente al elemento sensor y del

cable al que se conectarán el equipo electrónico.

1.3 TEMPORIZADOR

Un temporizador es un aparato mediante el cual,

podemos regular la conexión ó desconexión de

un circuito eléctrico pasado un tiempo desde que

se le dio dicha orden.

El temporizador es un tipo de relé auxiliar, con

la diferencia sobre estos, que sus contactos no

cambian de posición instantáneamente. Los

temporizadores se pueden clasificar en:

Térmicos.

Neumáticos.

De motor síncrono.

Electrónicos.

Los temporizadores pueden trabajar a la

conexión o a la desconexión.

A la conexión: cuando el temporizador recibe

tensión y pasa un tiempo hasta que conmuta los

contactos.

A la desconexión: cuando el temporizador deja

de recibir tensión al cabo de un tiempo conmuta

los contactos.

A continuación se describe el funcionamiento de

algunos tipos de temporizadores:

Temporizador a la conexión.

Es un relé cuyo contacto de salida conecta

después de un cierto retardo a partir del instante

de conexión de los bornes de su bobina. A1 y

A2, a la red. El tiempo de retardo es ajustable

mediante un potenciómetro o regulador frontal

del aparato si es electrónico. También se le

puede regular mediante un potenciómetro

remoto que permita el mando a distancia; este

potenciómetro se conecta a los bornes con las

letras Z1 y Z2 y no puede aplicarse a los relés de

los contactos.

Temporizador a la desconexión.

Es un relé cuyo contacto de salida conecta

instantáneamente al aplicar la tensión de

alimentación en los bornes A1 y A2 de la

bobina. Al quedar sin alimentación, el relé

permanece conectador durante el tiempo

ajustado por el potenciómetro frontal o remoto,

El sensor de temperatura, típicamente suele estar

formado por el elemento sensor, de cualquiera

de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve

y que está rellena de un material muy conductor

de la temperatura, para que los cambios se

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transmitan rápidamente al elemento sensor y del

cable al que se conectarán el equipo electrónico.

1.4 CONTROLADOR PID

Un controlador PID es un mecanismo de control

por realimentación ampliamente usado en

sistemas de control industrial. Este calcula la

desviación o error entre un valor medido y un

valor deseado.

El algoritmo del control PID consiste de tres

parámetros distintos: el proporcional, el integral,

y el derivativo. El valor Proporcional depende

del error actual. El Integral depende de los

errores pasados y el Derivativo es una

predicción de los errores futuros. La suma de

estas tres acciones es usada para ajustar al

proceso por medio de un elemento de control

como la posición de una válvula de control o la

potencia suministrada a un calentador.

Cuando no se tiene conocimiento del proceso,

históricamente se ha considerado que el

controlador PID es el controlador más adecuado.

Ajustando estas tres variables en el algoritmo de

control del PID, el controlador puede proveer

una acción de control diseñado para los

requerimientos del proceso en específico. La

respuesta del controlador puede describirse en

términos de la respuesta del control ante un

error, el grado el cual el controlador sobrepasa

el punto de ajuste, y el grado de oscilación del

sistema.

2. PLANTEAMIENTO DEL DISEÑO

Diagrama PI&D de los lazos de control

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3. DIAGRAMA DE LA SECUENCIA

DEL PROCESO

4. DISEÑO DEL CONTROLADOR PID

4.1 Llenado del tanque

El llenado de tanque para la cervecería es el

primer proceso a realizar, durante el llenado no

se abre la válvula de salida, solo la de entrada,

por lo cual solo tenemos que controlar proceso

de llenado.

Aplicando la transformada de LAPLACE se

obtiene la función de transferencia:

𝐻(𝑠)

𝑄(𝑠)=

1

𝐴𝑆

Área del tanque:

A = π * r2 = 3,1416 * 22 = 12,56d2

La función de transferencia queda:

𝐻(𝑠)

𝑄(𝑠)=

1

12,56𝑆

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En Simulink de Matlab se simula el

comportamiento del sistema:

Obteniendo la siguiente respuesta al paso:

La gráfica nos muestra una rampa como

respuesta al paso, lo cual era de esperarse ya que

el sistema es un integrador.

Agregamos el PID:

Sintonizamos el PID:

Con la sintonización se obtienen los siguientes

parámetros:

Se realizan los ajustes necesarios y se obtiene

los parámetros para el PID:

P = 33

I = 0,7

D = 1

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4.2 PID CONTROL DE TEMPERATURA

En primer lugar vamos a diseñar el controlador

PID para la primera fase de calentamiento, es

decir para calentar la cerveza a 52ºC.

Vamos a analiza por el método de respuesta ante

una entrada escalón en lazo abierto y

sintonización por Ziegler y Nichols.

Empecemos:

Identificación de la planta

La planta en este caso es el serpentín, quien

calentará la mezcla de cerveza hasta los 52ºC

por 8 minutos.

Entonces la función de transferencia y el modelo

matemático nos quedará así:

𝐺(𝑠) =𝐾0𝑒−𝑠 𝜏0

1 + 𝛾𝑜

Bien, ya como tenemos el modelo matemático,

procederemos a evaluar la planta con una

entrada escalón; entonces.

𝐺(𝑠) =52

𝑠 + 1

En matlab

num=[52]

den=[1,1]

f=tf(num,den)

step(f)

grid

Lo cual nos arroja el siguiente resultado

Bien, continuamos con el análisis.

Dónde:

K=52

L=107

T= (2.2-0.107)…=2.093

T0= 0.1s (frecuencia de muestreo)

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Entonces:

K=52

L=(107* 01)…..= 0.0107

T= (2.093*0.1)-L…… (0.2093-0.0107)= 0.198

La función de transferencia nos queda de la

siguiente manera:

𝐶𝑆

𝑈𝑆=

𝐾

𝑇𝑠 + 1… … . =

52

0.198𝑠 + 1

Ahora ingresamos a matlab la función para

analizar el sistema, nos queda de la siguiente

manera.

num=[52]

den=[0.198, 1]

r=tf(num,den)

step(r)

Tenemos:

K= 52

En el 63% de la máxima amplitud de la repuesta

en lazo abierto se aprecia la constante de tiempo

entre 0.1 y 0.4 seg. Correspondiente a un valor

de

0.63*K

Entonces

𝜏 = 0.198𝑠

Para

52 ∗ 0.63 = 32.8

Diseño del controlador

Ziegler y Nichols

Tipo de

controlador

Kp Ti Td

P 𝑇

𝐿

0

PI 0.9

𝑇

𝐿

𝐿

0.3

0

PID 1.2

𝑇

𝐾 ∗ 𝐿

2 ∗ 𝐿 0.5 ∗ 𝐿

Y procedemos a calcular los parámetros del

controlador:

𝑘𝑝 = 1.2𝑇

𝐾 ∗ 𝐿

𝑘𝑝 = 1.20.198

52 ∗ 0.0107… … . = 0.247

𝑡𝑖 = 2 ∗ 𝐿 … … . . = 0.0214

𝑡𝑑 = 0.5 ∗ 𝐿 … … . . = 0.0054

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Por ultimo establecemos un periodo de muestreo

T=0.1 s y obtenemos los parámetros del

controlador discreto.

Entonces:

𝑎 = 𝑘𝑝 = 0.427

𝑏 =𝑘𝑝 ∗ 𝑇

𝑡𝑖… . = 1.99

𝑐 =𝑘𝑝 ∗ 𝑡𝑑

𝑇… . = 0.0231

RESPUESTA EN Simulink

5. SELECCIÓN DE LOS SENSORES

SENSOR TIPO DESCRIPCIO

N

PARAMETROS

TEMPERATUR

A

LM 35 Sensor de

temperatura con

una precisión

calibrada de

1ºC. Su rango

de medición

abarca desde -

55°C hasta

150°C.

La salida es

lineal y cada

grado centígrado

equivale a 10mV,

por lo tanto:

150ºC = 1500mV

-55ºC = -

550mV1

NIVEL LUC-

M40

La altura del

nivel se calcula

por el tiempo

que tardan los

impulsos ultras

ónicos en viajar

desde el sensor

hasta la

superficie del

medio y

volver. Las

propiedades

químicas y

físicas del

medio no

influyen en el

resultado de

la medición

Temperatura de

operación: -40º

..80º C

Se pueden medir

sin problemas,

medios agresivos

y abrasivos,

viscosos y

pegajosos.

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6. SELECCIÓN DE LAS VÁLVULAS

VÁLV

ULA

TIPO DESCRIPCION PARAMETROS

V 201 Proporcional Las válvulas proporcionales

reguladoras de

caudal del tipo 2 FRE. Tienen una

función de 2 vías.

Pueden regular un caudal

predeterminado por

un valor nominal eléctrico,

compensado en

presión y temperatura

hasta 1 l/min = 1L hasta 2 l/min = 2L

hasta 8 l/min = 8L

Progresivo: hasta 3 l/min = 3Q

hasta 6 l/min =

6Q hasta 10 l/min = 10Q hasta 16

l/min = 16Q hasta

25 l/min = 25Q

V 101,

V 102,

V103,

V202

Electroválvula Una electroválvula e

s

na válvula electromecánica, diseñada

para controlar el

paso de un fluido por un

conducto o tubería.

La válvula se mueve mediante una bobina

solenoide. Generalmente no

tiene más que dos

posiciones: abierto y cerrado, o todo y

nada. Las

electroválvulas se usan en multitud de

aplicaciones para

controlar el flujo de todo tipo de fluidos

2/2 vías

Servoaccionada

De DN 6 a DN 22 Medio( Aire y

gases neutros,

Agua y Aceite) Cuerpo de la

válvula de latón o

latón DZR (resistente a la

desgalvanización) Versiones NC

(normalmente

cerrada) y NO (normalmente

abierta)

Conexión roscada ISO 228/1 o NPT

(EVSI y EVSI-U)

CONCLUSIONES

El comportamiento de los controladores PID

dentro del diseño realizado, muestran

parámetros favorables en cuanto al tiempo de

subida y establecimiento; que convierten estos

en una muy buena opción para el control de la

planta cervecera.

Es importante observar todos los parámetros y

características de los elementos finales de

control, y escoger el mas favorable y

económico; para evitar inconvenientes y sobre

costos al momento de su montaje.

Se cumplieron satisfactoriamente los objetivos y

propósitos solicitados en la guía de actividades y

la rúbrica de evaluación.

BIBLIOGRAFIA

Molina P (s.f) TEMPORIZADORES.

Recuperado de:

http://www.profesormolina.com.ar/electromec/t

emporizadores.htm

UAZ (2011) SISTEMA DE CONTROL DE

TEMPERATURA. Recuperado de:

http://ice.uaz.edu.mx/c/document_library/get_fil

e?uuid=16eaf7c5-e1e6-44c2-a4c6-

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Camargo Andres, Villamizar Edgardo (2008)

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de:

http://repository.upb.edu.co:8080/jspui/bitstrea

m/123456789/486/1/digital_16910.pdf

Wikipedia (20015) CONTROL PID. Recuperado

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http://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_PID