Estado del Arte de Proyecto de Titulación Supervisión de un Sistema

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
Estado del Arte de Proyecto de Titulación
“Simulación y Diagrama 3D de Control y
Supervisión de un Sistema
Diesel-Generador-Motor-Hélice”
Presentado por:
ROL USM:
Profesor guía:
Fecha:
Michael Silva Muñoz
2621003-8
Sr. Alejandro Suárez Sotomayor
02/05/2011
Proyecto de Titulación
TÓPICOS A TRATAR
La realidad virtual y la supervisión y control de un sistema a distancia son dos temas de
radical importancia en la industria moderna. La realidad virtual puede ser una herramienta muy
útil al momento de entregar a un cliente una visión clara y estética de la solución que se le está
otorgando y puede marcar la diferencia entre ganar un proyecto o no. Además, da una idea
tangible de lo que nuestra solución le ofrece. La supervisión y control de un sistema a distancia es
una modalidad de control utilizada en casi la totalidad de la alta industria moderna, porque
permite manejar equipos e instrumentos distribuidos en una gran área desde un solo lugar, de
forma segura cuando el entorno en el cual están implementados es agresivo, y con una utilización
mínima de líneas de transmisión de datos, gracias a los desarrollos de estándares y plataformas de
comunicación de datos referentes a mediciones y acciones de control. En esta memoria, estos dos
temas son abordados desde un enfoque práctico, puesto que se utilizarán para graficar y controlar
un sistema modelado, controlado y simulado en un lugar, desde otro lugar.
El estudio del sistema diesel-generador-motor-hélice, será la etapa inicial de este
proyecto. En esta parte del trabajo, se buscarán modelos de cada una de las partes funcionales del
sistema, los que en conjunto permitirán obtener un modelo total del mismo. La segunda parte
consistirá en controlar y graficar este sistema, primero en forma local y luego a distancia
utilizando Internet.
La búsqueda de modelos consistirá en encontrar ecuaciones que rijan el comportamiento
de cada bloque del sistema, relacionando las variables de interés de modo tal que puedan ser
representadas en un esquema de simulación en Matlab, donde se realizarán pruebas que permitan
distinguir cualitativamente la dinámica del sistema. El conjunto de ecuaciones obtenido, será
luego linealizado en torno a un punto de operación, y llevado al plano de Laplace, para
determinar la naturaleza del comportamiento del sistema en torno a dicho punto. Con el modelo
lineal ya establecido, se procederá a identificar los posibles esquemas de control del sistema, el
comportamiento esperado del mismo, y en forma consecuente, los valores teóricos que debieran
tener los respectivos controladores. Una vez definido el sistema de control, se realizarán pruebas
de su efecto sobre el sistema real, para ver si lo logra mantener en funcionamiento estable, con
buen seguimiento de las referencias impuestas por el usuario, y transiente de duración
relativamente moderada.
Con el sistema ya controlado, la etapa que continua es generar una interfaz que permita al
usuario tener acceso a la partida del sistema y al control del mismo, ofreciéndole la posibilidad de
cambiar referencias y supervisar mediante gráficos la respuesta del sistema, y las actuaciones
requeridas para lograrla. Una vez diseñada esta interfaz, debe implementarse una plataforma de
comunicación que permita realizar lo mismo, pero desde un PC ubicado a distancia desde el PC
donde se tendrá la simulación y control del sistema. Finalmente, se realizará un diagrama 3D del
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Proyecto de Titulación
sistema diesel-generador-motor-hélice, que permitirá al usuario visualizarlo desde diferentes
ángulos, y que junto con la interfaz, le darán una noción clara de lo que se está a controlando y
supervisando a distancia.
TRABAJOS RELACIONADOS CON LOS TEMAS A TRATAR
En el tema de modelamiento del sistema, existen trabajos que ya contienen versiones de lo
que podría utilizarse en este proyecto. Tal es el caso del modelo de motor diesel que se puede
encontrar en la ayuda del software Simulink de Matlab [1], en la que se describe esta unidad
mediante un modelo estático, cuyos parámetros que lo definen son su potencia máxima, la
velocidad a la que se desarrolla esta potencia, y la velocidad máxima que puede alcanzar el
motor, en base a los cuales se ajusta una curva polinómica de grado 3, que describe la potencia en
función de la velocidad. El modelo no incluye la dinámica de combustión, tiene como entrada
una señal que va entre cero y uno que hace las veces de un acelerador, y como salida un eje que
se conecta a una carga mecánica que gira a cierta velocidad, y sobre la cual se ejerce un torque
proporcional a la señal de entrada. También es posible encontrar el bloque Simplified
Synchronous Machine [2], el cual modela una máquina sincrónica de corriente alterna trifásica,
que puede operar como motor ó como generador, y en la que se describe su dinámica mecánica y
eléctrica en términos del tipo de conexión de los devanados del “rotor”, la potencia aparente
nominal, el voltaje línea-línea RMS nominal, la frecuencia nominal (En base a estos tres
parámetros se calcula el torque nominal), el momento de inercia del rotor, el coeficiente de
fricción, el número de pares de polos, la impedancia RL interna, y las condiciones iniciales de
desviación de velocidad, ángulo del rotor, magnitud de las corrientes de línea, y ángulos del
voltaje de fase. El sistema eléctrico de cada fase, consiste en una fuente de voltaje en serie con
una impedancia RL, que representa la impedancia interna de la máquina, en tanto que la dinámica
del sistema mecánico, se hace en base a la desviación de la velocidad instantánea respecto de la
velocidad nominal de operación de la máquina.
Siguiendo con lo respectivo al modelamiento, se encuentra un informe realizado en la
asignatura de Laboratorio de Electrónica Industrial, dictada por el Departamento de Electrónica
de la UTFSM [3], donde se describe la dinámica de un motor DC, con la cual se puede
determinar la potencia y la velocidad que este desarrollará, en función de la excitación de los
devanados de rotor y estator, los parámetros internos de la máquina y la carga mecánica
conectada. En lo que se refiere a la hélice del sistema, en [4] se realizaron mediciones de torque y
velocidad del eje de propulsión de un barco, en cuya extremidad se encuentra montada una
hélice, a partir de las cuales se muestra que el torque de carga sobre el eje se incrementa al
aumentar velocidad a la cual gira la hélice, en una curva semejante a un polinomio de grado 2, de
lo cual se infiere que la hélice puede ser modelada como una carga mecánica que ejerce un torque
cuadráticamente dependiente de la velocidad, de manera similar a como se trabajan las fuerzas de
roce de un sistema rotatorio.
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Proyecto de Titulación
Los trabajos realizados en [1], [2], [3] y [4], dan una idea previa de las características de
los modelos que se utilizarán finalmente para representar el sistema, y en los casos de [1] y [2] la
posibilidad de generar simulaciones en Simulink, para estudiar el comportamiento del motor
diesel y el generador sincrónico (En principio se optará por un generador sincrónico, aunque
también cabe la posibilidad de usar uno asincrónico).
En lo respectivo al control a distancia del sistema, hay una aplicación llevada a cabo en
[5], en el cual se utiliza World Wide Web de Internet, para controlar y supervisar el estado de una
serie de relés conectados mediante una interfaz a una computadora que funciona como servidor,
desde otro PC que funciona como cliente. La comunicación realizada mediante el protocolo
TCP/IP, se configura con el software servidor thttpd en sistema operativo Linux, a cuyos datos se
accede con un programa escrito en lenguaje C, que también tiene acceso al puerto paralelo del
servidor (Puerto al que se conecta la interfaz que acciona los relés), logrando así mostrar el estado
de cada relé o bien recibir instrucciones para algún accionamiento vía WEB.
En el paper desarrollado en [6], se efectúa una simulación 3D del patrón de caminata de
un robot mediante la Virtual Reality Toolbox de Matlab, en la que se permite ver al robot
caminando desde diferentes perspectivas durante un lapso de tiempo predeterminado. La
dinámica del sistema puede ser modelada mediante WorkSpace o Simulink de Matlab. En
particular, el trabajo utiliza un código para el patrón de caminata del robot, uno para la
cinemática, y otro para desplegar la gráfica 3D, la cual se describe mediante el lenguaje Virtual
Reality Modeling Language (VRML). El procedimiento básico para hacer el modelamiento 3D,
consiste en diseñar cada una de las partes funcionales del robot, juntarlas mediante el calce de sus
sistemas de coordenadas, y luego convertir dicha gráfica a VRML guardando el archivo con
extensión *.wrl.
Las experiencias comentadas en [5], muestran las características básicas de cómo se puede
lograr que un sistema sea controlado a distancia usando internet, y [6] hace una aplicación que
no sólo permite graficar un equipo en 3D, que es uno de los objetivos del Proyecto de Titulación,
sino que además realizar animaciones del mismo, con movimientos basados en los modelos
matemáticos que lo rigen, lo que hace que esta Memoria pueda ser utilizada como base para una
futura simulación 3D de la conexión diesel-generador-motor-hélice, en la que no sólo se observe
sus características físicas, sino que además pueda tenerse una realidad virtual de los efectos del
control del usuario en el comportamiento final del sistema.
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Proyecto de Titulación
BIBLIOGRAFÍA
[1] Diesel Engine, Help de Simulink de Matlab®, Versión R2007a, Copyright 1984-2007, The
MathWorks, Inc.
[2] Simplified Synchronous Machine, Help de Simulink de Matlab®, Versión R2007a, Copyright
1984-2007, The MathWorks, Inc.
[3] Michael Silva M., Lorena Meneses V., Guillermo Gimpel V., “Preinforme Experiencia N°3:
Control de Motores DC”, Laboratorio de Electrónica Industrial, Departamento de Electrónica
UTFSM.
[4] José Marín L., Rubén Saca C., “Mejora en el consumo de comubustible de embarcaciones
pesqueras camaroneras con el uso de hélices en tobera”, FIMCM, ESPOL.
[5] Diego G. de León Cenoz, “Sistema de Control de Dispositivos Sobre TCP/IP e Infrarrojo”,
enlace http://www.monografias.com/trabajos43/control-dispositivos/control-dispositivos.shtml
[6] Bum-Joo Lee, Yong-Duk Kim, Jeong-Ki Yoo, In-Won Park and Jong-Hwan Kim, “Walking
Pattern Simulation based on Virtual Reality Toolbox”
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