Reingeniería Aplicada a una Estación Compacta de Procesos (ECP)

10º Congreso Nacional de Mecatrónica
Noviembre 3 y 4, 2011. Puerto Vallarta, Jalisco.
Reingeniería Aplicada a una
Estación Compacta de Procesos (ECP)
Gudiño-Lau Jorge, Ramírez-Chora Ricardo, Ríos-Cortez Felipe y Raúl Martínez Venegas
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Universidad de Colima
Facultad de ingeniería Electromecánica
Km. 20 Carretera Manzanillo-Barra de Navidad
Resumen
Este articulo presenta un análisis de la
reingeniería y la aplicación de la misma, que consiste
en la adaptación de un sistema de arquitectura
cerrada a un sistema de arquitectura abierta
aplicada a una estación compacta de procesos.
Existen pocos laboratorios con sistemas no lineales
en arquitectura abierta, por esta razón se aplicó
reingeniería a una EPC. Esto con la finalidad de
aplicar la teoría desarrollada en el aula, a un
sistema real, tal como se hace en la industria.
A la ECP se le diseño las etapas de potencia
y protección, así como una tarjeta de adquisición de
datos para controlar las variables de presión, nivel,
flujo y temperatura; asimismo la combinación de las
variables.
Asimismo se describen las características
principales de la ECP, se analiza la estructura del
sistema para aplicarle las técnicas de ingeniería
inversa y reingeniería y se presentan resultados de
las adecuaciones implementadas.
se le aplica la técnica de reingeniería, para pasarla
arquitectura cerrada a arquitectura abierta, lo que
permitirá a los estudiantes de licenciatura, maestría y
doctorado aplicar algoritmos de control no lineal
diseñados por ellos mismos, además permitirá
controlar una o varias variables de proceso al mismo
tiempo [1,4,5].
2. Descripción de la estación compacta en
arquitectura cerrada.
El Modulo Didáctico EPC es de la firma FESTO
y es mostrado en la Figura 1, tiene cuatro sensores y
tres actuadores, que son manipuladas por un control
PID industrial. La EPC permite trabajar con cuatro
variables de forma independiente [2,4].
Las variables que se pueden controlar son de
nivel, presión, caudal y temperatura, todas son
controladas por un controlador industrial digital
Burkert tipo 1110.
1. Introducción
La Facultad de Ingeniería Electromecánica de
la Universidad de Colima se tiene con tres módulos
de procesos de arquitectura abierta, dos de control de
nivel y uno de control de presión; los tres diseñados e
implementados en la Facultad.
En la industria se tienen módulos de
arquitectura cerrada; por otra parte los fabricantes de
módulos didácticos siempre lo diseñan en
arquitectura cerrada, lo que limita a los estudiantes
implementar sus propios controladores diseñados y
analizados en el salón de clases. La ECP esta limitada
ya que utiliza un control clásico PID para controlar
una sola variable, no puedo controlar dos al mismo
tiempo. Actualmente existen muy pocos módulos
didácticos en arquitectura abierta y que permitan
implementar cualquier tipo de control [2,3]. A la ECP
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Fig. 1 Estación Compacta de Procesos (ECP)
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Para ello se tiene cuatro sensores uno de presión
analógico tal como se observa en la Figura 2, un
sensor de flujo o caudal como se muestra en la Figura
3, el sensor ultrasónico para medir el nivel es
mostrado en la Figura 4 y el sensor de temperatura en
la Figura 5.
Fig. 5 Sensor temperatura.
Fig. 2 Sensor analógico de presión.
Fig. 6 Bomba centrífuga
Fig. 3 Sensor de flujo o caudal.
Fig. 7 Válvula proporcional
Fig. 8 Sensor ultrasónico
Además, la ECP tiene tres actuadores, en la Figura 6
se muestra bomba centrifuga, la válvula proporcional
se observa en la Figura 7 y unidad de calefacción es
mostrada en la Figura 8.
Fig. 3 Unidad de calefacción
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Además, tiene un controlador industrial digital
Burkert tipo 1110 para manipular la cuatro variables,
tal como se observa en la Figura 9.
Fig. 10 Estación compacta de procesos en arquitectura
abierta
Fig. 9 Controlador industrial digital Burkert
En la Figura 11 se muestra un interruptor rojo tiene la
función de cambiar la manera de controlar la bomba,
directa o indirectamente a través de la alimentación
de la válvula, ya que existe una relación proporcional
de alimentación entre válvula y bomba.
3. Estación compacta en arquitectura
abierta.
Para obtener una estación compacta de
procesos en arquitectura abierta, se implemento la
técnica de reingeniería.
Una de las principales ventajas de tener el
sistema en arquitectura abierta, es manipular una o
varias variables de la ECP y además implementar
algoritmos de control diseñados en las aulas [2,3].
A la ECP se aplica reingeniería de tal forma
que puede funcionar de las dos maneras, en
arquitectura cerrada si se quiere implementar como se
una en la industria y en arquitectura abierta, para el
caso que los estudiantes o investigadores quieran
aplicar sus propios algoritmos de control. En la
Figura 10 se muestra la ECP terminada en
arquitectura abierta. Las salidas de todos los sensores
(presión, nivel, temperatura y flujo) con un estándar
de 0 a 10volts de corriente directa, asimismo las
entradas para controlar los actuadores como son: el
resistor, válvula y bomba, cada uno con sus
respectivas indicaciones del rango de voltaje que se
les puede suministrar [4].
Fig. 11 Estación compacta de procesos en arquitectura
abierta
El control de fábrica es sustituido por una
tarjeta de adquisición de datos de la marca NI,
controlado a través del software Simulink de Matlab.
3.1 Reingeniería del sistema de flujo
El sensor del sistema de flujo proporciona una
señal análoga de frecuencia con rango de 0-1000Hz,
se realizó reingeniería y se implemento un
convertidor frecuencia-voltaje que fue tomado de la
hoja de datos del circuito integrado LM331(V-F
converter), el cual se combinó a una serie de
amplificadores operacionales como son: un seguidor
de tensión que sirve para el acoplamiento de un
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amplificador de ganancia 1:10 y se introdujo la señal
a un amplificador inversor ya que a la salida del
amplificador de ganancia genera una señal negativa,
por eso es necesario la inversión del voltaje. Tal
como se observa en la Figura 12.
La relación que se obtiene en nuestro
convertidor de frecuencia-voltaje debe ser una
relación 100Hz:1v, lo que quiere decir, que para una
entrada de 0-1000Hz, se tiene a la salida 0-10volts.
3.3 Reingeniería del sistema de presión
Para el sistema de presión, el sensor por
fábrica genera una señal análoga de voltaje con
un rango de 0-10volts, se aplica la reingeniería al
emplear un seguidor de tensión, ya que permite
acoplar una señal de manera más fácil y segura.
Dicho circuito se muestra en la Figura 14.
CONVERTIDOR F/V
R4(1)
AMPLIFICADOR 1:10
R4
SEGUIDOR DE TENSION
6.81k
R2
10k
R3
R1
10k
7
68k
5
C1
C1(2)
6
U1
8
10k
U3(V+)
VCC
CMIN
FOUT
R-C
REFI
THR
IOUT
3
2
1
7
R6
12k
4
C2
LM331
C3
R5
1uF
100k
R7
U2
1
1k
3
RV1
7
1
4
5
6
2
2
4
5
U3(V-)
LM741
LM741
.01uF
SENSOR DE FLUJO
+88.8
Volts
U2(V-)
5k
0 a 1000Hz
R10
1
4
5
+88.8
Volts
R9
INVERSOR
U4(V+)
7
U3
3
6
+88.8
mV
GND
470pF
ENTRADA DEL
R8
U2(V+)
U4
10k
10k
3
6
2
+88.8
Volts
LM741
U4(V-)
SALIDA: 0 a 10VDC
Fig. 12 Convertidor de frecuencia-voltaje.
3.2 Reingeniería del sistema de nivel
En el sistema de nivel, el sensor proporciona
una señal análoga de corriente de 4-20 miliamperios,
la reingeniería consiste en estandarizar la señal con
un rango de 0-10volts, para ello se emplea un
convertidor de corriente a voltaje, con una salida 0 a
5 volts y acoplarlo a un amplificador no inversor de
ganancia 1:2. Tal como se ilustra en la Figura 13.
U1(V+)
7 1
U1
U1(+IP)
3
6
2
4 5
LM741
CONVERTIDOR I/V
R1
+88.8
Volts
U1(V-)
AMPLIFICADOR 1:2
R2
250
10
U2(V+)
U1(V+)
ENTRADA DEL
SENSOR DE NIVEL
U1
4mA a 20mA
I1
20m
71
71
5k
3
3
6
6
2
45
LM741
Fig. 14 Seguidor de tensión.
U2
R3
+88.
Volts
2
3.4 Reingeniería del sistema de temperatura
+88.8
Volts
SALIDA: 0 a 10VDC
45
U2(V-)
En el sistema de temperatura, se
realiza la reingeniería al adquirir un transmisor
PT100, el cual para generar los 420miliamperes a la salida, se tiene primero
que calcular la resistencia de carga de acuerdo
a la formula (1), donde V es el voltaje de
alimentación del transmisor y Rload la
resistencia de carga.
LM741
U1(V-)
Fig. 13 Convertidor de corriente-voltaje.
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V −5 
RLoad = 

 0.021 
El circuito indicado para obtener el
resultado deseado es un PWM (modulación
por ancho de pulso) que regula la corriente
suministrada a la bomba, para así obtener un
trabajo de 0-100%, tal como se muestra en la
Figura 16.
(1)
Por la resistencia de carga (330 ohms) circula
un voltaje de 1-5volts, para cumplir con el estándar
de 0-10volts, se acopla a un amplificador inversor
con ganancia 1:2 y después a un inversor para tener
una salida positiva, tal como se muestra en la Figura
15.
3.6 Etapa de potencia para la unidad de
calefacción.
La unidad de calefacción tiene en su
interior un relevador, que es el encargado de
activar o desactivar la alimentación de dicha
unidad, la reingeniería consiste en diseñar un
amplificador no inversor con ganancia 1:3.7,
ya que el relevador se acciona después de los
14volts y se desactiva cuando se le suministra
menos de 4volts, en la Figura 17 se muestra el
circuito.
TRANSMISOR PT100/ I
4 a 20mA
4
+
BAT1
12V
5
SENSOR
3
12(V+)
1 a 5VDC
R1
2
---6
1
330
-
U1:B
U1:A
SENECA
T120
PT100 3WIRES
4
4
R4
1
R2
2
5k
10k
1
1
SALIDA: 0 a 10VDC
5
3
TL084
7
6
1
1
+88.8
Volts
TL084
-12(V-)
R3
R5
10k
10k
AMPLIFICADOR 1:2
INVERSOR
Fig. 15 Convertidor PT100-voltaje.
3.5 Etapa de potencia de la bomba centrífuga.
La ECP tiene una bomba que es alimentada
con 24volts de corriente directa y consume una
corriente máxima de 0.5amperios, la reingeniería
consiste en construir una etapa de potencia para
proteger a la tarjeta de adquisición de datos y
manipular el trabajo de la bomba con un rango de 05volts, tal como se ilustra en la Figura16.
Fig. 17 Etapa de potencia de la unidad de
calefacción.
BOMBA
0-5vdc
+
D1
1N4001
R2
5V
U1
8
C3
4
100nF
ALIMENTACION DEL CIRCUITO
5
C4
10uF
C1
2
100nF
C
C
V
R
Q
3
DC
7
CV
D
N
G
TR
1
TH
6
555
R3
1k
10
RV1
100k
V2
Q1
TIP41
1N4001
D2
R1
1k
1N4001
+88.8
24V
ALIMENTACION DE LA BOMBA
D3
C2
100nF
Fig. 16 Etapa de potencia de la bomba
centrífuga.
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3.7 Etapa de potencia
proporcional.
de
la
válvula
La reingeniería en la etapa de potencia de la
válvula que se muestra en la Figura 18, consiste en
construir un seguidor de tensión acoplado a unos
transistores para aislar la tarjeta de adquisición de
datos de la corriente que pueda demandar la válvula.
Fig. 20 Registro de la señal del sensor de nivel.
Fig. 18 Etapa de potencia de la válvula.
Asimismo se realiza la misma prueba a los demás
sensores y actuadores.
4. Resultados experimentales
5. Conclusiones
Para verificar que la ECP funciona de forma
correcta en arquitectura abierta, se realizaron varios
experimentos, los cuales consisten en adquirir las
señales de los cuatro diferentes tipos de sensores y se
le suministro voltaje a los actuadores, esto con una
tarjeta de adquisición de datos de la marca NI a través
del software Simulink de Matlab; todo esto con la
finalidad de verificar el correcto funcionamiento. La
Figura 19 muestra el diagrama de bloques utilizados
en Simulink, para realizar los experimentos.
Se aplicó reingeniería a la ECP y se realizó
pruebas
experimentales
para
verificar
el
funcionamiento correcto. La tarjeta de adquisición de
datos mando señales de voltajes a los actuadores y
estos respondieron a las señales de voltaje, de igual
forma se adquirió las señales de los sensores. Lo que
se demuestra que cumple el objetivo de aplicar
reingeniería a la ECP. Ahora esta ECP se le puede
aplicar los algoritmos de control que se diseñen en las
aulas o centros de investigaciones.
6. Referencias
4.1 Adquisición de la señal de nivel.
En esta prueba se le suministró a la bomba
5volts y se registro la señal que el sensor proporciona
al aumentar y disminuir el nivel de agua del tanque
como se muestra en la Figura 20.
[1] Boylestad, N. “Electrónica: teoría de circuitos
y dispositivos electrónicos”. Ed. Perason,
México, 8va. edición, 2003.
[2] Ogata, K. “Modern Control Engineering”, Ed.
Pearson Higher Education, cuarta edición, 2008.
[3] Ogata, K. “Problemas de Ingeniería de Control
utilizando Matlab”, Editorial Prentice Hall,
España, 1ra edición, 1998.
[4] Pallas, R. “Sensores/acondicionadores de
señal”. Ed. Alfaomega, México, 4ta edición,
2005.
[5] Rachid, M. “Electrónica de Potencia”. Ed.
Pearson Educación, México, 4ta edición, 2004.
Fig. 19 Entrada y salida de datos en Simulink con DAQ
NI PCI 6251
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