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PLANTA DE NIVEL Y FLUJO DE AGUA

GUIA DE LABORATORIO

La Planta de Nivel y Flujo de Agua es un sistema compuesto por un circuito hidráulico y la instrumentación necesaria para efectuar el control del flujo del agua por el circuito o el control del nivel de agua en uno de los tanques del circuito.

El sistema consta de: un tanque plástico grande para el almacenamiento del agua, una bomba centrífuga, tubería PVC, tres tanques plásticos pequeños, válvulas de bola de accionamiento manual, una servo-válvula de control del flujo, un sensor del flujo de agua con su respectivo transmisor de señal, un transmisor de nivel implementado por medio de un transmisor de presión diferencial.

Adicionalmente se tiene un switche que aplica alimentación de 120 Vac al sistema, y otro switche para el encendido y apagado de la bomba. En la parte delantera se tiene acceso a las señales de entrada y salida de la instrumentación.

NOTA: LA VALVULA DE CONTROL ESTA CONFIGURADA PARA SER CONTROLADA POR UNA TENSIÓN EN EL RANGO 1 – 5 Vdc.

El funcionamiento de la planta es hacer circular el agua del tanque de almacenamiento hacia los tanques pequeños y volviendo al tanque de almacenamiento, bajo el impulso de la bomba y la gravedad terrestre. Se puede hacer que el agua circule por uno o más tanques dependiendo de qué válvulas manuales estén abiertas o cerradas. De esta manera es posible configurar procesos de control de nivel de primero o segundo orden, según el número de tanques que intervengan en el proceso.

PRACTICA 1. Elaborar el diagrama de la Planta.

Identifique cada uno de los componentes de la Planta de Nivel y Flujo. Elabore un diagrama de la planta en donde aparezca todos sus componentes y el cableado de la alimentación y las señales de control. Identifique en el diagrama los puntos de conexión de todas las señales. Utilice el estándar de la ISA para dibujar su diagrama.

NOTA: PARA LAS SIGUIENTES PRACTICAS, DEJAR COMPLETAMENTE ABIERTA LA VALVULA MANUAL DEL ALIVIADERO (O “BY PASS”).

NOTA IMPORTANTE: NO DEJE QUE EL NIVEL DEL AGUA EN LOS TANQUES LLEGUE HASTA MUY ARRIBA (NIVEL DE REBOSE). APAQUE LA BOMBA O CIERRE LAS VALVULAS PARA EVITAR ESTA SITUACION.

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PRACTICA 2. Observar la relación entre el flujo y el nivel en una planta de primer orden.

1. Ajuste las válvulas manuales de tal manera que el flujo del agua circule sólo por el tanque en el cual se tiene conectado el sensor de nivel (El Tanque 1). Pero abra solo un poco la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al Tanque 1.

2. Conecte la bomba para que el agua circule. No olvide abrir completamente la válvula manual de salida del agua del Tanque 1 al Tanque de Almacenamiento.

3. Abra completamente la servo-válvula de control ajustando el voltaje de control (sólo entre 1 – 5 voltios). ¿ Qué tensión necesita ?. Utilice una fuente de tensión o el voltaje generado por la Tarjeta de Adquisición de Datos del computador del Laboratorio.

4. Cierre completamente la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al Tanque 1, de tal manera que el nivel del agua sea el mínimo (próximo a cero). Anote el nivel y el flujo.

5. Abra la válvula manual de entrada al Tanque 1 hasta que el nivel se sitúe alrededor de los 3 cm. Deje que el nivel se estabilice y anote el nivel en el tanque y el flujo que circula.

6. Repita el procedimiento anterior, cada vez aumentando el nivel en pasos de 3 cm aproximadamente, hasta que obtenga unas 10 lecturas de nivel y flujo. Anote los datos.

7. Apague la bomba y deje que el Tanque 1 se vacíe completamente. Abra completamente la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al Tanque 1. Prenda la bomba y anote el valor del flujo que entra al tanque. Observe si este flujo alcanza a llenar completamente el tanque. OJO: no deje que el agua se rebose del Tanque 1; apague antes la bomba.

8. Apague la bomba.

INFORME:

1. Coloque en una tabla los resultados de las mediciones realizadas en los puntos 4 a 6 del procedimiento de la Práctica 2.

2. Grafique la relación Nivel vs Flujo con los datos de la tabla. Utilice estos datos para obtener una ecuación aproximada del comportamiento Nivel/Flujo del tanque (puede usar LabVIEW u otro lenguaje para este propósito). ¿ De que tipo es la respuesta: cuadrática, cúbica, raíz cuadrada, ... ?. ¿ Cuál es la respuesta teórica de este proceso ?.

3. Calcule la altura mínima que debería tener el tanque para que el agua nunca se rebose en la siguiente condición: válvulas de control y de entrada al Tanque 1, ambas completamente abiertas.

PRACTICA 3. Observar el efecto de la válvula de control en el flujo y el nivel.

1. Ajuste las válvulas manuales de tal manera que el flujo del agua circule sólo por el tanque en el cual se tiene conectado el sensor de nivel (El Tanque 1). Pero abra solo un poco la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al Tanque 1.

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3. Abra completamente la servo-válvula de control ajustando el voltaje de control (sólo entre 1 – 5 voltios). ¿ Qué tensión necesita ?. Utilice una fuente de tensión o el voltaje generado por la Tarjeta de Adquisición de Datos del computador del Laboratorio.

4. Ajuste la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al Tanque 1, de tal manera que el nivel del agua se mantenga fijo en la parte alta del tanque, por ejemplo alrededor de 30 cm. Anote la posición en que queda esta válvula, ya que la necesitará mas adelante. Anote el nivel, el flujo que circula y la tensión aplicada a la servo-válvula.

5. Varíe la tensión en la válvula de control en 0.4 Vdc (la válvula se cierra un poco). Deje que el nivel se estabilice y anote el nivel, el flujo que circula y la tensión aplicada a la servo-válvula.

6. Repita el procedimiento anterior, cada vez variando la tensión en pasos de 0.4 Vdc, hasta que la válvula de control se cierre completamente.

7. Repita los puntos 5 y 6 anteriores, pero ahora empezando con la válvula completamente cerrada hasta que la válvula esté completamente abierta. Tome las anotaciones pertinentes.

8. Cierre ahora la válvula de control aplicando una de las tensiones anteriores a la válvula de control, hasta que el nivel se estabilice en la parte baja del tanque, por ejemplo alrededor de los 5 cm. Abra completamente la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al tanque. Espere a que el nivel se estabilice (OJO: si el agua trata de rebosarse, cierre la servo-válvula de control aplicando la tensión apropiada o apague la bomba). Anote el nivel, el flujo que circula y la tensión aplicada a la servo-válvula.

9. Aplique otros cuatro (4) valores de tensión a la servo-valvula (siempre en múltiplos de 0.4 voltios), de tal manera que se obtengan valores suficientemente diferenciados del nivel en el tanque. Espere en cada caso a que el nivel se estabilice y anote el nivel, el flujo que circula y la tensión aplicada a la servo-válvula. La idea es tomar suficientes datos como para hacer una gráfica con los resultados.

10. Apague la bomba.

INFORME:

1. Coloque los resultados de las mediciones realizadas en los puntos 4 a 7 del procedimiento de la práctica, en dos tablas diferentes.

2. Compare los valores del flujo para voltajes iguales en la servo-válvula. Coloque la diferencia entre estos valores en una nueva tabla. La diferencia entre los valores del flujo se denomina Histéresis de la válvula. ¿ Cree usted que la diferencia en el flujo, (es decir, la histéresis), debería ser cero ?. Si no es cero, ¿ a qué se debe ?.

3. Grafique la relación Nivel vs Tensión de control en la servo-válvula con los datos de los puntos 4 y 5 del procedimiento de la práctica. Utilice estos datos para obtener una ecuación aproximada del comportamiento Nivel/Tensión.

4. Grafique la relación Nivel vs Flujo con los datos de los puntos 8 y 9 del procedimiento de la práctica. Utilice estos datos para obtener una ecuación aproximada del comportamiento Nivel/Flujo del tanque. Compare esta ecuación con la obtenida en el punto anterior. NOTA: las dos curvas de esta práctica pueden colocarse en un misma gráfica.

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PRACTICA 4. Diseño de un control de nivel tipo ON/OFF.

NOTA: Los puntos 1 y 2 de esta práctica deben realizarse en casa.

1. Diseñe e implemente en LabVIEW un controlador ON/OFF para el nivel en el Tanque 1. Coloque en el controlador un switche de MANUAL/AUTO.

2. Haga un diagrama de la conexión requerida entre la Planta y la Tarjeta de Adquisición de Datos del computador que se tiene en el Laboratorio.

3. Conecte la Planta y el computador para efectuar el control del nivel con el controlador implementado. Coloque el controlador en Manual.

4. Ajuste las válvulas manuales de tal manera que el flujo del agua circule sólo por el tanque en el cual se tiene conectado el sensor de nivel (El Tanque 1).


6. Abra completamente la servo-válvula de control ajustando el voltaje de control por medio del controlador en software.

7. Ajuste la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al Tanque 1, de tal manera que el nivel del agua se mantenga fijo en la parte alta del tanque, por ejemplo alrededor de 30 cm. Recuerde que la posición de la válvula ya la anotó en el punto 4 de la Práctica 3. No es necesario que el nivel resultante sea exactamente igual al de la Práctica 3.

8. Ajuste el programa en LabVIEW de tal manera que el valor del nivel en pantalla sea igual al real en el tanque.

9. Coloque el controlador en Auto. Coloque el setpoint del controlador en unos 10 cm y espere a que el comportamiento del sistema se estabilice (dinámicamente hablando). Grafique la respuesta del nivel (puede almacenar en un diskette la gráfica que muestra el LabVIEW).

10. Incremente de forma brusca a 20 cm el setpoint del controlador. Grafique la respuesta del proceso hasta que de nuevo se “estabilice” el nivel.

11. “Juegue” un poco con el sistema, cambiando el setpoint y observando el comportamiento del sistema.

12. Apague la bomba y el resto del sistema.

INFORME

1. Muestre el programa del controlador implementado en LabVIEW.2. Muestre la gráficas obtenidas y analice los resultados. ¿ La variable controlada

permanece relativamente constante u oscila ?. Teóricamente, ¿ cómo debería ser esta respuesta ?.

PRACTICA 5. Diseño de un control de nivel tipo PID.

1. Para esta práctica se debe utilizar el prgrama XXXXX.QQQ que se encuentra en el computador del laboratorio.

2. Conecte la Planta y el computador para efectuar el control del nivel con el controlador implementado en ese programa.

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3. Ajuste las válvulas manuales de tal manera que el flujo del agua circule sólo por el tanque en el cual se tiene conectado el sensor de nivel (El Tanque 1).


5. Abra completamente la servo-válvula de control ajustando el voltaje de control por medio del controlador en software.

6. Ajuste la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al Tanque 1, de tal manera que el nivel del agua se mantenga fijo en la parte alta del tanque, por ejemplo alrededor de 30 cm. Recuerde que la posición de la válvula ya la anotó en el punto 4 de la Práctica 3. No es necesario que el nivel resultante sea exactamente igual al de la Práctica 3.

7. Ajuste el programa en LabVIEW de tal manera que el valor del nivel en pantalla sea igual al real en el tanque.

8. Coloque el controlador sólo en Modo Proporcional. Coloque el setpoint del controlador en unos 10 cm y espere a que el comportamiento del sistema se estabilice (dinámicamente hablando).

9. Aplique el método de “ultima ganancia – ultimo período” de Ziegler y Nichols para encontrar el ajuste del controlador que proporcione una respuesta con una razón de amplitud de 1/4.

10. Ajuste el controlador PID con los datos obtenidos en el punto anterior.11. Coloque el setpoint del controlador en unos 10 cm y espere a que el comportamiento

del sistema se estabilice (dinámicamente hablando). Incremente de forma brusca a 20 cm el setpoint del controlador. Grafique la respuesta del proceso hasta que de nuevo se “estabilice” el nivel.

12. “Juegue” un poco con el sistema, cambiando el setpoint y observando el comportamiento del sistema.

13. Apague la bomba y el resto del sistema.

INFORME

1. Muestre la gráficas obtenidas y analice los resultados.

PRACTICA 6. Observar la relación entre el flujo y el nivel en una planta de segundo orden.

1. Ajuste las válvulas manuales de tal manera que el flujo del agua circule por el tanque colocado en la parte superior de la planta (Tanque 3) y por el tanque en el cual se tiene conectado el sensor de nivel (Tanque 1). Cierre completamente la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al Tanque 1. Abra completamente la válvula que comunica al Tanque 3 con el Tanque 1. Abra solo un poco la válvula manual que controla el flujo del agua que entra al Tanque 3.


3. Abra completamente la servo-válvula de control ajustando el voltaje de control (sólo entre 1 – 5 voltios). Utilice una fuente de tensión o el voltaje generado por la Tarjeta de Adquisición de Datos del computador del Laboratorio.

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4. Abra la válvula manual de entrada al Tanque 3 hasta que el nivel se estabilice en la parte superior del tanque, alrededor de los 30 cm.

5. Observe el nivel en el Tanque 1. Si es necesario, ajuste la válvula manual de salida del agua del Tanque 1 al Tanque de Almacenamiento para que el nivel en el Tanque 1 sea apreciable, por ejemplo, por encima de la mitad de este tanque.

6. Deje que el nivel se estabilice y anote el flujo, el nivel resultantes en ambos tanques y el voltaje de control en la servo-válvula.

7. Cierre un poco la servo-válvula de control de tal manera que el nivel en el Tanque 3 disminuya alrededor de 3 cm. Anote el flujo, el nivel en ambos tanques y el voltaje de control en la válvula.

8. Repita el procedimiento anterior, cada vez disminuyendo el nivel en el Tanque 3 en pasos de 3 cm aproximadamente, hasta que obtenga unas 10 lecturas de nivel y flujo. Anote los datos.

9. Ajuste el nivel en el Tanque 3 de tal manera que el nivel en el Tanque 1 sea alrededor de los 5 cm. Aplique un cambio brusco en el voltaje de la servo-válvula de tal manera que el nivel en el Tanque 3 se sitúe en la parte superior del mismo. Grafique la respuesta del sistema.

10. Apague la bomba.

INFORME:

1. Coloque en una tabla los resultados de las mediciones realizadas en los puntos 6 a 8 del procedimiento de la Práctica 6.

2. Grafique la relación Nivel vs Flujo con los datos de la tabla. Utilice estos datos para obtener una ecuación aproximada del comportamiento Nivel/Flujo del tanque (puede usar LabVIEW u otro lenguaje para este propósito). ¿ De que tipo es la respuesta: cuadrática, cúbica, raíz cuadrada, ... ?. ¿ Cuál es la respuesta teórica de este proceso ?.

3. Grafique la relación Nivel vs Tensión de control en la servo-válvula con los datos de los puntos 6 y 8 del procedimiento de la práctica. Utilice estos datos para obtener una ecuación aproximada del comportamiento Nivel/Tensión.

4. Muestre la gráfica obtenida en punto 9 del procedimiento. Comente la respuesta mostrada en dicha gráfica.

5. Compare las respuestas obtenidas con las de un procesos de nivel de primer orden (un solo tanque).

PREGUNTAS

1. Haga un diagrama de bloques del sistema si se desea efectuar un control del flujo del agua en el circuito. Identifique en el diagrama los puntos de conexión de todas las señales.

2. Se desea hacer un control mas fino del nivel utilizando un control en cascada. Haga un diagrama de bloques del control. Identifique en el diagrama los puntos de conexión de todas las señales. ¿ Se podría implementar este tipo de control utilizando el computador del laboratorio ?.

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