diseño de una estación de control para la simulación de procesos

Transcripción

Congreso Internacional de Investigación Tijuana.
Revista Aristas: Investigación Básica y Aplicada.
ISSN 2007-9478, Vol. 4, Núm. 7. Año 2015.
DISEÑO DE UNA ESTACIÓN DE CONTROL PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS
INDUSTRIALES EN LA ESPECIALIDAD DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Y
CONTROL DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DEL ITSP
Resumen— El uso de prácticas de laboratorio para la enseñanza
constituye una de las bases académicas fundamentales en la formación
de profesionistas competentes en ingeniería.
En el presente
documento se describe la propuesta de diseño e implementación de
una Estación de Control para la realización de Prácticas de
Instrumentación mediante la simulación de procesos industriales en la
especialidad de Instrumentación Industrial y Control de la carrera de
Ingeniería Electrónica, del ITSP. El proceso consiste en un sistema de
tanques para regulación de temperatura y nivel en un contenedor de
agua. El control del proceso se realiza mediante un controlador
CompactRio con una interfaz de usuario desarrollada en LabView. La
estación cuenta con la estructura e instrumentación necesaria para la
manipulación de temperatura, flujo y nivel. Una vez implementado se
espera una mejora sustancial en la calidad académica, ofreciendo a la
sociedad un recurso humano mejor capacitado, capaz de generar
innovación tecnológica.
MANUEL ANTONIO ARENAS MÉNDEZ
[email protected]
ROSA GABRIELA CAMERO BERRONES
[email protected]
MIGUEL DE JESÚS CABRIALES MUÑIZ
[email protected]
DAVID HERNÁNDEZ HERNÁNDEZ
[email protected]
Palabras claves— Control, proceso, temperatura, flujo, nivel.
1. INTRODUCCIÓN
En este trabajo se describe el desarrollo de una estación
de control para nivel, flujo y temperatura basada en el
controlador CompactRIO, con fines educativos, que les
permita a los alumnos diseñar aplicaciones para controlar
procesos similares a los que existen en la industria
actualmente.
El Laboratorio de Ingeniería Electrónica del ITSP cuenta
con cinco controladores CompactRIO de la empresa
National Instruments equipados con módulos de entradasalida analógicos y digitales. Las aplicaciones
implementadas por los alumnos con estos controladores
consistían inicialmente en prácticas de activación de leds
y mini motores de CD, que por su nivel de complejidad
daban como resultado un bajo aprovechamiento del
potencial de los controladores CompactRIO. El prototipo
presentado surgió inicialmente como un proyecto final de
la materia de Instrumentación Avanzada.
La puesta en marcha de este proyecto apoya a la
consolidación de la acreditación ante el organismo
acreditador CACEI [1] para la carrera de Ingeniería
Electrónica, ejerciendo un impacto favorable en la
gestión del conocimiento de áreas que hasta ahora no se
han desarrollado satisfactoriamente en el instituto.
2. MARCO TEÓRICO
El uso de simuladores de prácticas para la enseñanza
académica constituye una de las bases académicas
fundamentales en la formación de profesionistas
competentes en el área de ingeniería [2] Los principales
fabricantes y líderes en tecnología en el área de
instrumentación, tales como: a) Siemens, b) Festo y c)
NI, por mencionar algunos de ellos, cuentan con
departamentos dedicados exclusivamente al desarrollo de
tecnología enfocado al sector académico [3-5].
Estos sistemas consisten básicamente de: un panel
didáctico (depósito presurizado, un juego de sensores y
un juego de actuadores de nivel, presión, temperatura y
flujo) y un módulo de control (que contiene los circuitos
interface para los sensores y actuadores, y los circuitos de
control)
En la industria existen algunas aplicaciones típicas de
procesos en los que es necesario un control de variables,
entre las más frecuentes se puede mencionar calderas de
vapor e intercambiadores de calor, procesos en los que el
monitoreo y regulación de temperatura es primordial. En
general casi todos los procesos industriales consideran
esta variable por su influencia en los fenómenos físicos y
su uso para inferir otras variables del proceso [6].
En cuanto a sistemas de control del agua de alimentación,
estos son regulados a través de válvulas. Las variables
que intervienen en este tipo de sistemas son nivel y
caudal. La medición de nivel cobra importancia tanto
2.1 Características Generales
18 al 20 de febrero 2015. Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería. UABC. Copyright 2015. Tijuana, Baja California, México.
210
para el funcionamiento correcto del proceso y el balance
adecuado de materias primas o productos finales.
3. METODO
En este proyecto, un primer paso fue seleccionar el
proceso a simular en la estación de procesos de nivel,
flujo y temperatura. Una vez determinado el proceso, se
procedió a establecer los lazos de control e
instrumentación para las variables de nivel, flujo y se
realizó un análisis de costos y características técnicas
para seleccionar los sensores y actuadores necesarios
para la implementación de los lazos de control.
Se implementó la estructura de montaje de la estación de
procesos, la etapa de instrumentación y la etapa de
acondicionamiento de señal requerida por el controlador
CompactRIO. Se diseñó la interface con el usuario en
Labview y finalmente se procedió a la integración de
etapas y pruebas de funcionamiento.
4. RESULTADOS
La estación de control consiste en tres etapas: Una etapa
de Instrumentación, una etapa de acondicionamiento de
señal y una etapa de control
4.1. MODULO DE INSTRUMENTACIÓN
Un módulo de instrumentación, conformado por un
sistema de cinco depósitos de agua: Un tanque cisterna
para alimentar el sistema, dos tanques de recolección de
agua, uno de ellos como depósito de alimentación de
agua caliente y el otro como un depósito de agua fría
(temperatura ambiente), un tanque mezclador y un tanque
cisterna de residuos (salida). El diagrama del sistema es
presentado en la Fig. 1.
Figura 1. Diagrama del proceso de la estación de control
ISSN 2007-9478, Vol. 4, Núm. 7. Año 2015.
Cada tanque tiene un transmisor de nivel, mientras que el
monitoreo de temperatura se realiza en el depósito de
agua caliente (Calentador), en el depósito de agua fría
(Cisterna 2) y en tanque mezclador (Proceso). El diseño
se realizó para operar en un rango de temperaturas que va
desde la temperatura ambiente hasta 90 oC.
El tanque de suministro de agua caliente tiene tres
sensores de nivel de punto fijo (alto, medio y bajo).
Consta de una etapa de precalentado con una resistencia.
Dentro del tanque hay tres resistencias calentadoras que
son controladas por un relevador de estado sólido.
El tanque- depósito frío tiene un sensor de temperatura
para medir la temperatura ambiente del agua con el
propósito de determinar el flujo requerido para estabilizar
la temperatura de un tanque mezclador. Este tanque, que
corresponde al proceso principal, cuenta con un sensor de
temperatura y uno de nivel.
Mediante una bomba se genera un gasto a la salida del
mezclador, el cuál es enviado a un tanque denominado
Residuos, que al igual que el tanque mezclador cuenta
con un sensor de nivel digital.
4.1.1 MODULO DE ACONDICIONAMIENTO DE
SEÑAL
El módulo de acondicionamiento de señal está
conformado con las tarjetas que permiten el acoplamiento
entre las señales de control y potencia para los sensores,
actuadores provenientes del circuito de control. Consta de
una tarjeta de entradas y salidas para el controlador
CompactRio, con 2 entradas/2 salidas analógicas y 1
entrada/ 1 salida digital [7].
Adicionalmente, una tarjeta para el acoplamiento de señal
proveniente de los sensores de flujo ubicados en cada una
de las entradas (caliente- fría) y salida (gasto hacia el
tanque de residuos) del tanque mezclador.
La etapa de potencia para la activación de bombas se
realiza mediante una señal proveniente de un
optoacoplador, y se activa mediante un TRIAC. El
sistema cuenta para esta función con tres
microcontroladores con salida DAC de 5 bits que activan
los motores de CD de las válvulas correspondientes
mediante una etapa de potencia mediante puentes H.
4.1.2 MODULO DE CONTROL
Referencia: Elaboración propia
Para la etapa de control se empleó un controlador
industrial CompactRio de NI y se diseñó una interfaz en
Labview para el monitoreo y manipulación de las
variables. Dicha interfaz ofrece la opción de trabajar en
modo manual o automático. En la Fig. 2 se presenta la
pantalla principal en el modo de operación manual.
Figura 2. Interfaz con el usuario en modo Manual
211
ISSN 2007-9478, Vol. 4, Núm. 7. Año 2015.
Se implementó una estación de control para la simulación
de un proceso industrial en la que intervienen como
variables el nivel, flujo y la temperatura. Una de sus
principales características es el empleo de componentes
fáciles de adquirir en el mercado local.
Se logró una selección cuidadosa de los sensores y
actuadores para obtener una buena precisión de las
lecturas de las variables de medición y control del
proceso siendo asequibles económicamente.
Fuente: Elaboración propia
Cabe mencionar que las válvulas proporcionales a la
salida del depósito frío, caliente y el tanque mezclador se
activan de forma complementaria con las válvulas de
retroalimentación, para evitar la sobrepresión de la
bomba.
En el modo manual, la apertura de las válvulas puede ser
establecida por el usuario. Además de contar con
indicadores de nivel y temperatura para los tanques.
En el modo de operación automático, el usuario solo
establece el valor deseado (set point) de temperatura en el
tanque mezclador, y mediante un algoritmo de control
proporcional el sistema regula el proceso.
La interface en LabView permite el monitoreo de las
variables involucradas en el proceso, como se muestra en
la Fig. 3.
Figura 3. Interfaz con el usuario en modo Automático
Con este sistema, el estudiante es capaz de familiarizarse
con el uso de sensores de nivel, flujo, y temperatura,
estudiar las características de una bomba y realizar
prácticas de control de lazo cerrado para variables físicas.
Siendo este trabajo un antecedente para la
implementación de una estación de control con
componentes industriales.
6. REFERENCIAS
[1] CACEI. “Marco de Referencia para la Acreditación
de los programas de licenciatura (Versión 2014)”. El
Consejo de la Acreditación de la Enseñanza de la
Ingeniería, 2014.
[2]
DGEST. “Modelo Educativo para el Siglo XXI:
Formación y desarrollo de competencias profesionales”.
México: Dirección General de Educación Superior
Tecnológica, 2012.
[3]
De
Lorenzo
Group.
“Catálogo
de
Automatización”.
Disponible
en
http://www.delorenzoglobal.com (último acceso: 2014).
[4]
FESTO. “Festo Learning Systems Overview”.
Hauppauge, NY: Festo Corporation, 2012
[5]
Lab Volt Systems. “Instrumentation and
Process Control Training System Series 3531”. Lab Volt,
2013, p.60.
[6] Antonio, Creus. “Instrumentación Industrial”.
México: Marcombo, 2010
[7]
National Instruments.2014.
Disponible en:
http://www.ni.com
Manuel Arenas: Ingeniero Electrónica cuenta con diez años de
experiencia docente en el área de Control e Instrumentación a nivel
licenciatura.
Rosa Gabriela Camero Berrones: Ingeniera Electrónica. Profesora a
nivel licenciatura. Estudios de Doctorado en Tecnología Avanzada en el
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada,
del IPN.
Miguel de Jesús Cabriales Muñiz: Pasante de Ingeniería Electrónica,
conocimientos en diseño de interfaces HMI e instrumentación.
Referencia: Elaboración propia
David Hernández Hernández: Pasante de Ingeniería Electrónica,
conocimientos en diseño de interfaces HMI e instrumentación
5. CONCLUSIONES
.
212
Año 2015.
ISSN 2007-9478, Vol. 4, Núm. 7.
213

diseño de una estación de control para la simulación de procesos

Transcripción

Documentos relacionados

Inodoro de tanque bajo serie Budapest

Unidad VI: Administración de proyectos