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DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN MDULO DIDCTICO PARA EL CONTROL AUTOMTICO DE UN SISTEMA DE NIVEL DE AGUA PARA EL LABORATORIO DE REDES INDUSTRIALES Y CONTROL DE PROCESOS DE LA ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITO EXTENSIN LATACUNGA.

DAVID ALEXANDER NARVAEZ VICENTE

OBJETIVO GENERALDisear e implementar un Mdulo Didctico para el Control y Monitoreo Automtico de un Sistema de Nivel de Agua para el Laboratorio de Redes Industriales y Control de Procesos de la Escuela Politcnica del Ejrcito Extensin Latacunga.OBJETIVOS ESPECFICOSConstruccin de un blanco de pruebas.Disear el lazo de control para el mdulo didctico, especificando sus componentes a travs de Diagramas P&IDs.Disear la ubicacin de los instrumentos dentro del armazn del mdulo didctico en cuestin.Implementar el mdulo didctico y efectuar las conexiones necesarias guindose en los diagramas P&IDs y el diseo de ubicacin.Disear un HMI para el monitoreo, control y registro de la variable de la estacin de nivel de agua.

Desarrollar el software de aplicacin para el funcionamiento del PLC que controlar el proceso.Realizar la comunicacin entre el PLC y la Touch Screen.Desarrollar el software de aplicacin para el funcionamiento de la Touch Screen para realizar el monitoreo de la variable del proceso.Mejorar el desarrollo del aprendizaje para las nuevas promociones acadmicas con la implementacin de este proyecto.

INTRODUCCINEn un sistema automtico se busca principalmente aumentar la eficiencia del proceso incrementando la velocidad, la calidad y la precisin, y disminuyendo los riesgos que normalmente se tendran en la tarea si fuese realizada en forma manual por un operador.Con el avance de la tecnologa, los procesos industriales han sufrido grandes cambios y quienes estn involucrados de una o de otra forma con el tema, deben estar permanentemente informados acerca de los nuevos productos, mtodos de proceso, solucin de fallas, sistemas de control, etc.

Prcticamente todas las industrias alrededor del mundo poseen al menos un pequeo sistema automtico, lo cual significa que la automatizacin es un rea que est permanentemente en contacto con el hombre.Los automatismos estn compuestos de tres partes principales, como son la obtencin de seales por parte de los sensores, transmisores, el procesamiento de dichas seales hecho por los procesadores inteligentes y la ejecucin de respuestas efectuadas por los actuadores.Todos los procesos se desarrollan en un ambiente de acceso remoto, ya que el presente modulo es didctico los estudiantes podrn aplicar todos los conocimientos adquiridos en las aulas, realizando diversos talleres prcticos de laboratorio de control y monitoreo industrial.DESCRIPCIN RESUMIDA DEL PROYECTOEl modulo didctico nos permite monitorear y controlar el nivel de agua de un tanque con la ayuda de sensores y actuadores que se analizaron de acuerdo a las condiciones del proceso, un depsito de agua, una columna de nivel, una vlvula de regulacin proporcional, vlvulas ON/OFF, conjunto de tubera (PVC), rotmetro, conversor de corriente a presin, un PLC(Controlador lgico Programable), una mdulo de entradas y salidas analgicas, una Touch Screen(pantalla tctil) y un transmisor de nivel tipo radar.

El Mdulo Didctico utiliza como cerebro un PLC (Controlador lgico Programable), para gestionar la tareas de monitoreo y control, as como tambin controlar la comunicacin con distintos componentes, como por ejemplo la pantalla tctil, o tambin una conexin hacia una PC o alguna red de tipo industrial para tener la opcin de control local y remoto a travs de la conformacin de un sistema SCADA.

El sistema es capaz de controlar el proceso de nivel de agua por medio del PLC el cual toma la seal del transmisor, ste PLC una vez procesada la informacin de acuerdo a un modo de control configurado enva una seal elctrica al variador de frecuencia, el cual dependiendo de las seal elctrica variara la frecuencia de una seal trifsica entregada a la bomba centrifuga variando as su velocidad de bombeo de este modo poder variar el flujo del agua que puede ser observado en el rotmetro controlando de esta manera el nivel de agua en el tanque.

Ser posible visualizar las variables del proceso y monitorear el sistema de la estacin de nivel de agua gracias a una TOUCH SCREEN en donde se puede definir el control a ser aplicado, monitorear el proceso, cambiar el valor del set point, aceptar alarmas, tener seguridades de acceso de usuarios, un registro de eventos y observar los histricos, de tal forma que se pueda darle estabilidad al proceso controlado.El PLC debe tener la capacidad de controlar el sistema de nivel de agua en base a un modo de control (P, PD, PI, PID) en el cual se configuran los parmetros caractersticos del lazo.La interface humano mquina (HMI) dar monitoreo del proceso en el sistema en forma permanente, teniendo en cuenta distintos eventos como: alarmas, registro, estados y seguridades de acceso a usuarios, esta interfaz deber ser intuitiva para que el operador no encuentre dificultad al manipular el sistema y adems encuentre un entorno amigable y confiable.

MDULO DE NIVEL DE AGUA

COMPONENTES DEL MDULOTanque de 45 litros: es el recipiente el cual permite almacenar y recircular el lquido del sistema.

Bomba trifsica de 3 HP: Es una bomba de tipo centrifuga, funciona con un motor trifsico que permite succionar el agua para hacer circular por la tubera del sistema.

Vlvula controladora: Es una vlvula de control proporcional de presin, se encarga de regular el caudal de agua en la tubera, de esta manera controlando el nivel de agua en la columna de nivel.

Variador de frecuencia MICROMASTER 440: Dispositivo que permite variar la velocidad del motor trifsico mediante la variacin de la frecuencia suministrada al motor, variando as el flujo de agua del sistema, prcticamente es el actuador en el proceso siendo el elemento que gobierna el funcionamiento de la bomba.

Conversor de corriente a presin: Se encarga de convertir una seal elctrica de 4 20 mA a una seal neumtica de 3 15 PSI.

Columna de nivel: Es un indicador de nivel de agua, permite visualizar el nivel instantneo de agua en el sistema.

Transmisor inteligente: Entregan una lectura real del nivel de agua del sistema en una magnitud elctrica normalizada en corriente para su posterior procesamiento. En el sistema implementado consta de un Transmisor de nivel tipo radar.

PLC (Autmata CPU-1214C): controlador lgico programable de la marca Siemens, este autmata controla todo el sistema y a la vez se comunica con la pantalla tctil, para que en ella se pueda supervisar y monitorear el proceso.

Mdulo de expansin (SM-1234): Es el dispositivo que permite el vnculo entre el autmata y cada uno de los dispositivos de campo a travs de este mdulo se origina el intercambio de informacin en lectura y escritura de seales analgicas de corriente o voltaje.

Touch Screen (Pantalla tctil G306A) instrumento que contiene una HMI de configuracin y monitoreo de tal forma que sea un vnculo entre el operador y el proceso controlado, la cual permite centralizar la informacin del sistema, entregando al operador valores de setpoint, parmetros de sintonizacin, curvas de proceso y alarmas.

DIAGRAMA P&ID

CONFIGURACIN Y PROGRAMACIN DEL PLCPara empezar a programar se necesita una PC instalado el software TIA PORTAL (Totally Integrated Automation Portal), con sus respectivas libreras y herramientas listas para utilizarlas y hacer el respectivo programa de control.La programacin en TIA PORTAL constituye un entorno de fcil manejo para desarrollar, editar y observar el programa necesario con objeto de controlar la aplicacin.

CREAR UN PROYECTOIniciar TIA PORTAL.

Inserta un dispositivo

Seleccionar el PLC a utilizar

Editor de dispositivos y redes

Configurar la interfaz PROFINET del controlador

Aadir un mdulo de entradas y salidas anlogo

Crear el programa en el controlador

Bloque de programacin

Configura una red MODBUS TCP/IPModbus/TCP simplemente encapsula una trama Modbus en un segmento TCP. TCPproporciona un servicio orientado a conexin fiable, lo que significa que toda consulta espera una respuesta.

La instruccin "MB_CLIENT" permite la comunicacin como cliente Modbus TCP a travs de la conexin PROFINET de la CPU S7-1200. Para utilizar esta instruccin no se requiere ningn mdulo de hardware adicional. La instruccin "MB_CLIENT" permite establecer una conexin entre el cliente y el servidor, enviar peticiones y recibir respuesta y controlar la desconexin del servidor Modbus TCP.

Insertar MB CLIENT

Configuracin de los parmetros MB_CLIENT

Configurar Bloque de regulador PID.

Asignacin de variables

Cargar el programa al PLC

Seleccin de la interfaz

PROGRAMACIN PANTALLA TOUCH SCREEN (RED LION)Para empezar a programar se necesita una PC instalado el software Crimson 3.0, con sus respectivas libreras y herramientas listas para utilizarlas y hacer el respectivo HMI.La programacin en Crimson 3.0 constituye un entorno de fcil manejo para desarrollar, editar y simular el programa.

Iniciar CRIMSON

Pantalla principal

CONFIGURAR UNA RED MODBUS TCP/IP SLAVEConfiguracin del puerto Ethernet 1

Seleccin de la red MODBUS TCP/IP SLAVE.

Configuracin del controlador del protocolo 1.

Aadir bloque para asignar registros

Configuracin del bloque y seleccin de los registros

Configuracin del tamao del bloque

Crear etiquetas

Disear interfaz grfica

Cargar el programa al dispositivo.Seleccionar el puerto

CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (PID)

Ajustar las vlvulas del sistema. V-1 abierta, V-2 cerrada, V-3 abierta, V-4 regulacin del flujo de agua (nunca cerrada al 100%), V-5 abierta, V-6 perturbacin, V-7 regulacin de vaciado de la columna de nivel.

ALCANCES. Es posible realizar el control del sistema con dos diferentes actuadores ya sea la vlvula proporcional o el variador de frecuencia.Es posible visualizar el comportamiento de la variable de proceso en tiempo real y en el momento deseado sin necesidad de recurrir a un registrador de papel.Centraliza la informacin (Configuracin y supervisin) en un mismo punto provocando as una menor perdida de concentracin y tiempo en el manejo del proceso.Brinda la posibilidad de manejar cuatro estados de alarmas.Flexibilidad para realizar cambios de programacin ya sea en el PLC o en la TOUCH SCREEN.El mdulo se puede poner en red con otros mdulos y formar un SCADA ya que esta implementada una red MODBUS TCP/IP.

CONCLUSIONESSe ha implementado un sistema de control de nivel de agua, aplicando los conocimientos adquiridos durante la formacin como profesionales de la carrera permitiendo tener una visin general de la estructura y etapas de un proceso.La implementacin de este sistema colabora con la mejor formacin de nuevos profesionales, quienes podrn fomentar sus conocimientos de una forma ms prctica, ya que con este sistema se puede realizar diferentes modos de control, similares a los procesos industriales. El mdulo presentado significa una buena inversin en conocimiento y a la vez un gran ahorro econmico ya que un mdulo de las mismas caractersticas tiene un costo muy elevado.

Se pudo notar que el mtodo de control de nivel de agua por variacin de velocidad es ms eficiente que el mtodo por estrangulacin de la vlvula proporcional ya que el motor trifsico cuando se varia la velocidad se reduce tambin el consumo energtico y disminuyendo as el costo de operacin, mientras que cuando se controla vlvulas el motor siempre trabaja a una misma velocidad sin reducir el consumo energtico, por lo cual el control de nivel de agua por variacin de la velocidad tiene una respuesta ms rpida con respecto al control por estrangulacin de la vlvula proporcional.

Se comprob que para el proceso de nivel de agua implementado se obtiene un control muy satisfactorio aplicado un control Proporcional-Integral, ya que al ingresar el tiempo derivativo (Td) el sistema requiere de un valor muy pequeo que puede fcilmente obviarse si el proceso no est muy expuesto a perturbaciones.La implementacin del mdulo adems de complementar la infraestructura del laboratorio de Redes Industriales y control de procesos, posibilita al estudiante agrupar los conocimientos de diferentes materias de la ingeniera, logrando as un nivel acadmico muy competitivo.

RECOMENDACIONESSe recomienda realizar unas instalaciones elctricas idneas para el Laboratorio de Redes Industriales ya que es necesario para el buen funcionamiento de los equipos que se utilizan. Antes de empezar a manipular el mdulo en la prctica de laboratorio, se debe leer y consultar el manual de usuario con el fin de manejar todos los recursos de proyecto implementado y evitar daos graves o de difcil solucin.Se debe tener cuidado al realizar las conexiones de los dispositivos ya que si estas tienen algn tipo de falla todo el sistema colapsar.

Es recomendable tener en cuenta que para las conexiones neumticas tanto internas como externas se usa la manguera color azul, que tiene un dimetro interno de 6mm. No se puede utilizar otra manguera ya que se podra daar los elementos neumticos. Se recomienda realizar cambios ocasionales del agua que circula por el sistema ya que por no ser un ambiente estril esta podra llenarse de impurezas que a su vez puedan ocasionar mal funcionamiento del sistema.Se recomienda la verificacin de las vlvulas ya que si todas las vlvulas del sistema estn cerradas puede causas desperfecto a la bomba, daos en la tubera y desbordamiento de agua en la columna de nivel