UNIVERSIDAD TCNICA PARTICULAR DE LOJA Escuela de Electrnica y Telecomunicaciones INSTRUMENTACIN VIRTUAL Ing. Carlos Caldern C. INFORMEDEPROYECTO Pablo Cruz; Diego Maza; Luis Villamagua CONTROL DE TEMPERATURA Y NIVEL DE AGUAEN UN CONTENEDOR OBJETIVO GENERAL:Realizar un sistema de control automtico basado en tecnologa PLC para el control de la temperatura y el nivel de lquido en un contenedor. OBJETIVOS ESPECFICOS:-Seleccionarlasherramientasapropiadaspararealizarelcometidoexpuestoenelobjetivo general, esto es, tipo de PLC, plataforma de programacin, sensores, actuadores, etc. -Calibracindeloselementosconstitutivosdelsistema,talcomo,elsensordetemperatura, sensor de nivel. -Determinarunalgicafuncionalquecontroledemaneraeficienteelfuncionamientodel sistema. -Detallar las especificaciones tcnicas de los componentes y del programa cargado en el PLC. 1.VARIABLES DEL PROCESO Enlasiguientefigurasemuestraeldiagramadebloquesdelsistema,mientrasquelasvariablesde entrada/salida (E/S) junto con sus sensores/actuadores se detallan en la tabla. Diagrama de bloques del sistema a implementar 2 Variables de entrada RangoSensores Temperatura20 a 35 CSensor resistivo (NTC de 10K) Nivel de lquido en el contenedor10 a 40Infrarrojo Variables de salida Control del nivel de aguaFC15E-7Electrovlvula Control del nivel de temperaturaNiquelinaNtc 10 kohm Alarma de sobre nivelSetpointLuz piloto Alarma de temperaturaSetpointLuz piloto Definicin de las variables de Entrada/Salida 2.DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO Conelobjetivodeintegrarlosconceptosrelacionadosalainstrumentacinyautomatizacinde procesos, diseamos un prototipo que permite interactuar con variables como la temperatura y el nivel del lquido. Elsistemadecontrolestbasadoenunmduloqueabarcaestructurafsica,parteelctrica,ylos requerimientos que la instrumentacin y los actuadores necesitan para que las prcticas de tcnicas de control se implementen. Los componentes del sistema son los siguientes: -2 Tanques de vidrio - 1 Interfaz mquina-humano -1 Niquelina elctrica -1 electrovlvula -1 Medidor de temperatura -1 Medidor de nivel -Fuentes de poder -Acondicionamiento de seales La interfaz mquina-humano contiene los elementos de control y las luces piloto, en donde el elemento central es el PLC, aqu tambin estn los indicadores digitales que muestran la temperatura del lquido y elnivelconformevaransegnlosrequerimientosdeloperador.Ademsincluyelastarjetasde acondicionamientos de sensores e interruptores de funcionamiento. La estructura del prototipo mostrado en la figura A contiene dos tanques, el primero encargado desuministrarlquidoalsegundomientraslopermitalaelectrovlvuladepaso,lamismaquese accionar una vez que el nivel de lquido requerido en el tanque sea completado. 3 La temperaturay el nivel del lquido sern medidos en tanque ms grande, mediante la adecuacin de sensores,queenconjuntoconlaniquelinaylaelectrovlvulaformanpartedelconjuntode instrumentos. Tanques de Vidrio Sondoslostanquesdevidrioconel objetivodeapreciarelniveldelliquido,el primero(TanqueA)se encargadelsuministrodeaguasimulandounatuberadeagua.Ensegundotanque(TanqueB)se medir las variables de temperatura y de nivel de lquido. EltanqueAdedimensiones30centmetrosdealtura,10centmetrosdeanchoy20centmetrosde profundidad,tieneenunadesusparedesadaptadalaelectrovlvulaparaelllenadodeltanqueB mediante una manguera, como lo muestra la figura B. Al tanque B se conecta una llave de paso manual como lo muestra la figura C para simular las fugas de agua. La forma del tanque es cubica cuyas dimensiones son 60 centmetros de altura, 30 centmetros de anchoy15centmetrosdeprofundidad.Lacapacidaddealmacenamiento esde27litros esdecir7.13 galones. En este tanque tambin se encuentra la estructura de soporte para el sensor de nivel ubicado enlapartesuperiordeltanque,ylaniquelinaquevaenunadelasparedesdeltanque,alcanzandoel fondo del recipiente. 3.ELECTROVLVULA EldrenadodeaguadeltanqueAaltanqueBestdeterminadoporlaactivacinydesactivacindela electrovlvula, la misma que segn especificaciones como el dimetro de tuberas y voltaje de activacin fueseleccionada.EnlafiguraCsemuestralaelectrovalulaseleccionada,cuyasespecificacionesse resumen a continuacin:-Modelo: FC15E-7 -Power:Solenoid -Material: Plstico -Voltaje de funcionamiento: 3.6V 6V 9V 12V 24V 110v 4 -Presin de funcionamiento:: 0-50 PSI, 10-600 Psi, 20-800 Psi -Medio: Agua -Presin mxima: 1500 Psi-Temperatura del medio: 0-150.-Vida de servicio: 100.000 veces -Dimensiones de instalacin: entrada y enchufe 3/8 4.SENSOR INFRARROJO Paramedirelniveldelagua,hemosutilizadounsensortipoinfrarrojo.Estesensorenvaun pulso de 32 ms de duracin, el cual impacta con el flotador que se encuentra dentro de la torre de agua;estepulsovuelvehaciaelreceptorqueestembebidoenelmismodispositivo.El dispositivo que hemos utilizado es el GP2Y0A21YK. Especificaciones elctricas 5 La seal del sensor tiene una curva caracterstica que se muestra a continuacin. Sepuedeobtenerunalneadetendenciamuyaproximadaalaoriginal.Sinembargo,debidoa que el PLC de generacin quinta no permite ingresar esa ecuacin, hemos decidido dividirla en dos partes. A estas dos partes las linealizamos. La lnea de tendencia superior, es mostrada en la siguiente figura. Los errores en este segmento despreciable. La lnea de tendencia inferior, se muestra a continuacin: Se puede ver mayor cantidad de errores existe en la recta del nivel inferior.Y = -7E-05x3 + 0,0072x2 - 0,2654x + 4,3054 00,511,522,50 10 20 30 40 50Series1 Polinmica (Series1)y = -39,473x + 67,298 2025303540450 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2Niv(seal_sensor) Series1Tend superiory = -11,054x + 34,696 0510152025300 0,5 1 1,5 2 2,5Niv(Senal_sensor) Series1Tend inf 6 5.SENSOR TRANSMISOR DE TEMPERATURA Se utilizar el termistor TTC-103, que posee las siguientes caractersticas: K C TK RC mVsegK 298 2510/ 5 . 42 405000= =O ====ot|

Dimensionamiento del circuito de acondicionamiento Primeramenteparacumplirconelerrorrequeridodebemostenerencuentaelefectode autocalentamiento al fijar el nivel de la tensin de la fuente de alimentacin para el circuito (divisor de voltaje) de acondicionamiento del termistor, mediante: R T Vio A = 2max Donde: o : es el coeficiente de disipacin o conductancia trmica R: resistencia fija del divisor de voltaje del circuito de acondicionamiento de la NTC T A :es el incremento de temperatura producido por el autocalentemiento, que ser mximo cuando la resistencia RT del termistor sea igual a la resistencia fija del divisor, R Acondicionamiento para el termistor Donde el valor de la resistencia fija R se lo obtiene de la siguiente ecuacin: TCCCRTTR22+=|| Donde: TC: es la temperatura central de nuestro margen de medida | : es el ndice de sensibilidad del termistor en grados KelvinEntonces tenemos que TC es: KK K T TTC 16 , 3232 16 , 293 16 , 3532min max=+=+= 7 YelvalordelaresistenciacentralRTCselaobtienereemplazandoelvalordeenlaecuacinque representa el comportamiento (variacin de la resistencia) del termistor, mediante: O =O ==K Re K Re R RTCTCT TTCC5 . 3* 10)16 , 298116 , 3231( 4050)1 1(00| Con lo cual podemos calcular el valor de la resistencia fija R del divisor: O =O+=+=k Rk RRTTRTCCC5 . 2) 5 . 3 () 16 , 323 ( 2 4050) 16 , 323 ( 2 405022|| EltextorecomiendaquefijemosqueelerrormximodeautocalentamientoTseadiezvecesmenor que la precisin requerida, teniendo 05 . 0 10 / 5 . 0 = = A C TCon lo cual procedemos a calcular la tensin mediante R T Vio A = 2max V V VK x Vii5 . 1 61 . 509 . 15 . 2 * 10 5 . 4 * 05 . 0 2max3max~ == Determinacin de la recta de calibracin linealizada Una vez establecido los parmetros del circuito de acondicionamiento, procedemos a encontrar la recta linealizada (recta de calibracin) la respuesta en el punto medio del margen de medida, mediante ) ( * ) ( ) ( ) (0 0 C C C linealT T T S T V T V + = Donde: T: Temperatura a medir entre 20C a 80C S(TC): es la sensibilidad en el punto central, que procedemos a calcularla mediante: K V T ST STVT SCCCiC/ 0141869 . 0 ) (1) 16 , 323 ( * 4405040505 . 1) (14) (2222=||.|

\| =||.|

\| =|| y V0(TC): es la tensin de salida real para la temperatura central 8 V T VKKV T Ve K KKV T Ve R RRV T VCCCTi CC625759 , 0 ) (9921 . 55 . 25 . 1 ) (* 10 5 . 25 . 25 . 1 ) () (0016 , 298116 , 3231405002981 100==+=+=||.|

\|||.|

\| | Resultando que la recta de calibracin queda dada por ) 323 ( 01418 . 0 6257 . 0 ) (0 + = T T Vlineal Teniendo as una salida de nuestro sensor como se indica a continuacin Respuesta del circuito de acondicionamiento del termistor Dimensionamiento del circuito para la amplificacin y anulacin del offset Unavezconocidoslosnivelesdesalidadenuestrodivisordevoltajequedaraporhacerun acondicionamiento de esta seal que consistir en restar el offset (V0(T) para T=20C) y amplificarla para adaptarla al margen de entrada de la DAQ que deber estar entre 0V y 5V. Entonces, para obtener una salida amplificada de la seal se procede a calcular la ganancia del circuito de amplificacin, mediante: REALIDEALSSG =Donde: SIDEAL: es la sensibilidad a la que se desea llegar luego de amplificar la seal de la NTC SREAL: es la sensibilidad del circuito de acondicionamiento del termistor (divisor de voltaje) Teniendo: 0,20058304 0,34230836 0,48403368 0,625759 0,76748432 0,90920964 1,05093496 00,20,40,60,811,220 30 40 50 60 70 80Respuesta linealizada del termistor [Volt] Rango de medida C Termistor NTC-103 9 01418 . 020 802025 . 0 0533 . 116666 . 020 800 10==AA===AA=TVSTVSREALIDEAL Consecuentemente 753596 , 1101418 . 016666 . 0= = =REALIDEALSSG Amplificacin de la seal del circuito de acondicionamiento del termistor Entonces con esta ganancia procedemos a calcular la resistencia de retroalimentacin y la que conecta a la entrada inversora del amplificador operacional, teniendo 753596 , 11 11= + =GRRGTeniendo R1 = 127, 75 Kohm y RG = 12 Kohm, (R1 estar a cargo de un potencimetro de precisin de 250 Kohm). Configuracin del circuito de acondicionamiento para la amplificacin -20246810120 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2Voltaje amplificado hacia la DAQ Salida del divisor de voltaje Amplificacion de la seal R2.5kVi 1.5 V-tcRT210.0k3267415U2LM741RG12k15 V-15 VR1130k3267415U1LM741R310k-15VR410kR510k R610k2,38VU1(V+) 10 A continuacin se configura el amplificador restador, esto con el fin de que en el momento que el sensor este expuesto a 15 C la salida de todo el circuito sea 0 voltios. Teniendo V0(T) para T=15C 2025688 , 0 ) (0= T Vlineal Dando un offset de

() Configuracin del circuito restador Y a continuacin se presenta el circuito completo Circuito para la adecuacin de la seal a conectar a la DAQ 6.CONEXIONES Enestaseccindescribiremoselprocesoacontrolarjuntoconlasvariablesimplicadas, categorizndolas como seales analgicas o digitales, de entrada o salida. Estableceremos los rangos de trabajo de temperatura y nivel del lquido que seconsideran normales en el proceso y la activacin de luces piloto tras sobrepasar los lmites establecidos. Adems,presentaremosdemaneraespecficaloscriteriosutilizadosparalaseleccindelos elementosdelsistemadecontrol.DeterminaremosqutipodePLCserequerirconsurespectiva plataformadeprogramacin,posteriormentedefiniremoslossensoresadecuadosparaesteproceso conlacorrespondienteetapadecalibracin,yfinalmentepresentaremoslalgicadecontrol implementada en el PLC explicando detalladamente su comportamiento. R2.5kVi 1.5 VVolts+0.63-tcRT210.0k3267415U2LM741RG12k15 V-15 VR1130kVolts+7.443267415U1LM741R310k-15VR410kR510kR610k2,38VVolts+5.06U1(V+) 11 7.PLC, CARACTERSTICAS GENERALES. Se ha seleccionado el PLC Logo! 12 /24 RC para la realizacin del presente proyecto 1.Alimentacin de tensin 2.Entradas 3.Salidas 4.Receptculo de mdulo con revestimiento 5.Panel de manejo 8.Interfaz de ampliacin 10.Codificacin mecnica PLC LOGO! 12/24 RC En el anexo se adjunta las especificaciones elctricas del logo siemens 12/24 RC tomado del manual de Logo de junio del 2003. Donde podemos encontrar que las entradas analgicas I7 (AI1) e I8 (AI2) sern lasquenospermitirnhacerlaconexindelassealesdelossensores.Mientrasqueenlaentrada digitalI1seconectaraelpulsadordeejecucin/stopymediantelassalidasQ1,Q2,Q3yQ4se conectara la niquelina, la electrovlvula y las dos luces piloto de sobrenivel y sobrecalentamiento. 8.PROGRAMA PARA EL CONTROL DEL PROCESO Programa para el control del proceso Programa diseado mediante Logo Soft Confort para el control del sistema 12 Funcionalidad del sistema Al ejecutar el programa se nos indicara mediante el displaydel Logo! los niveles detemperatura tanto los medidos mediante los sensores como los valores de consigna que el operario ingresar mediante las 4 teclas cursor del Logo. Pantalla de inicio mediante el Display de Logo (HMI) Donde: Te: Valor de consigna de temperatura entre 20-35 C (operario) Ni: Valor de consigna del nivel de liquido 10-40 cm (operario) S.Temp: Valor de temperatura medido mediante el termistor NTC 103 S.Niv: Valor del nivel del liquido medido mediante el sensor ultrasnico A continuacin se procede a fijar los valores de consigna mediante los cursores del propio Logo

Setteo de los valores de consigna de temperatura y nivel En este caso hemos fijado como valor de consigna en temperatura de 25 C y en el nivel de lquido de 13 cm. Esto mediante las teclas C1 y C2 para la temperatura y mediante C3 y C4 para el nivel de lquido. A continuacin se procede a ejecutar el proceso de control mediante el swith I1 que ha sido configurado como una entrada digital. 13 Ejecucin del control y activacin de la niquelina a primera instancia y luego ser la electrovlvula Entonces,aliniciarelcontroldelprocesopodemosobservarquesehaactivadolasalidaQ1 correspondiente a la niquelina. Este accionamiento se debe a que el valor sensado de temperatura est por debajo del valor de consigna. Luego procedemos a incrementar el valor detemperatura y denivel del lquido sensados mediante las entradas analgicas AI1 y AI2 respectivamente.Debemosindicarqueprimeramentesecalentaraelliquidoenelcontenedormatriz,yunavezque alcancelatemperaturasettiadocomovalordeconsignaseactivaralaelectrovlvulaparaempezara llenar el contenedor secundario ya con el liquido a la temperatura solicitada. Activacin de la electrovlvula, luego que el liquido alcanz la temperatura de consigna Almomentoenqueelvalordeconsignayelsensadoseanigualesseprocedeadesactivar automticamente la niquelina y la electrovlvula, cada actuador en su debido momento. 14 Desactivacin de la niquelina y electrovlvula consecutivamente Ahora, el programa tambin cuenta con indicadores de sobrenivel y sobrecalentamiento, esto mediante sealesvisualesconlucespilotoenlassalidasQ3yQ4respectivamente.Laactivacindeestasseda cuando el valor medido sea mayor en una unidad al valor fijado como consigna. Accionamiento de los indicadores de sobrecalentamiento y sobrenivel Enlafiguraanteriorpodemosverificarelaccionamientodelaslucespilotoindicandoel sobrecalentamiento y el sobrenivel en Q4 y Q5. 9.ESPECIFICACIONES DE LAS CARGAS Elconsumodeuna carga, generalmente,vienedetalladoen suhojadeespecificaciones,deno disponerdeestadocumentacin, esprecisoadquirir estainformacin mediantelaetiquetaenergtica 15 correspondiente al producto. Entre los datos principales de las cargas bsicamente tenemos la potencia, segn la cual se deriva la corriente o el voltaje de consumo. Lascargasconsideradasenelpresenteproyectoestnconstituidasporlaresistenciaelctrica para calentar el agua, la electrovlvula y por un par de luces piloto. La importancia de lograr un balance enlapotenciadeconsumoradicaenqueelcontroladorlgicoprogramable(PLC)tieneciertas restriccionesencuantoasuministrodeenergaserefiere,estoes,8amperiosdesalidaparaequipos queoperanconcorrientealternay10amperiosenlassalidasparaequiposqueoperanconcorriente continua. En la tabla a continuacin se resume los valores de consumo correspondientes a las cargas que conformas el sistema de control. Dispositivo Voltaje de entrada Corriente de consumo Potencia Niquelina110Vac3.37Aac370.7W Electrovlvula110Vac54.6mAac6.006W Luz Piloto A110Vac1.4mAac0.154W Luz Piloto B110Vac1.4mAac0.154W Comosepuedeevidenciar,losrequerimientosdepotenciaestndentrodeloslmitesque puede suministrar el PLC. 10. SIMULACION EN LABVIEW DSC LasimulacionenlabviewDSCescomosemuestraacontinuacin.Paraestasimulaciontenemostres partes. En la primera se muestra como el nivel de agua en los tanques sube o baja. Tambin se muestran las luces de alarma y finalmente como se encienden los actuadores (electrovlvula y niquelina) En la segunda parte, se muestra el nivel de las variables de temperatura y nivel de agua con respecto al tiempo. 16 En la tercera parte, se muestra el dataloger del sistema. Se almacena el ultimo minuto del proceso y las muestras son tomadas una por segundo. En Excel se puede apreciar de la siguiente forma 17 18 11. ANEXOS 19 20 DIAGRAMA UNIFILAR ElectrovlvulaNiquelina 21