Diseño y construcción de una interfaz de control de nivel, temperatura y flujo de agua en un tanque para uso en prácticas de laboratorio

Esteban Richmond Salazar

Control automáticoConceptos

Proceso Por lotes Contínuos Semicontínuos

Variable controlada Variable manipulada Punto de consigna Disturbios

Entradas SalidasProceso

Control automáticoLazo retroalimentado

Acción de control

Punto de consigna

Salida del controlador

Error Variable manipulada

Variable de proceso

Disturbios

+ -

Sensor / Transmisor

Valor medido

Elemento actuador

Controlador

Proceso

Equipo para prácticas

Construcción del equipoVista frontal

ProcesoDiagrama de instrumentación

S

q1

q2

q3

S

PT31

FT21

FT11

FV21

TT31

LAL31

LAH31

FT31

FV31

P-31

V-31

H-31

Construcción del equipoVista frontal

Construcción del equipoVista trasera

Controlador

ControladorComputador Personal + Transmisor

V: Disponibilidad V: Bajo costo V: Flexibilidad V: Capacidad de almacenamiento V: Facilita el manejo de los datos D: Requiere software y hardware adicional

Transmisor

TransmisorBasado en microcontrolador AVR ATmega16

Económico Personalizable Hasta 16 MIPS a 16 MHz Memoria interna Oscilador RC interno 8 canales ADC de 10-bit 4 canales de PWM Valim. = (4,5 a 5,5) VDC

Voper = 0 a 5 VDC

TransmisorProgramador DAPA

PB0

PB5 (MOSI)

PB6 (MISO)

PB7 (SCK)

RESET

XTAL1

XTAL2

1

6

7

8

9

13

12

10

11

VCC

GND

ATmega16

IC1

J1

DB25

VCC

2

11

1

16

18

D0

Busy

Strobe

Init

GND

470

R4 220

R3470

R2

1,0k

R1

10k

R5

VCC

D1

GND

GND GND

C1

27pF+

C2

27pF+

GND

XT1

TransmisorCircuito de comunicación

PD0 (RXD)

PD1 (TXD)

PD2 (INT0)

14

15

16

10

11

VCC

GND

ATmega16

IC1

J1

DB9

+5 V

4

6

7

8

2

3

5

DTR

DSR

RTS

CTS

RD

TD

GND

C1 1,0μF+

16

VCC

+5 V

IC2

C2 1,0μF+

15

GND

C4 1,0μF+

2

6

12

10

11

1

3

4

5

7

13

8

V+

V-

R1OUT

T2IN

T1IN

C1+

C1-

C2+

C2-

T2OUT

R1IN

R2IN

MAX232

GND GND GND GND

GND

GND

C5 1,0μF+

C3 1,0μF+

GND

TransmisorPlaca impresa

TransmisorBERSAN-avr

0 1 2 3 4 5 6 7 GD

7 6 5 4 3 2 1 0 GD

Entradas Analógicas (0-5 VDC)

Entradas Discretas (Interruptores)

PWM3(10-bit)

PWM4 (8-bit)

Alimentación9 – 15 VDC

RS-232Prog.

LED ComunicaciónLED Encendido

RESETPWM2(10-bit)

PWM1(8-bit)

Instrumentos de medición y de acción

Medición de flujoMedidores de microturbina de rueda

McMillan 101-8 Salida altamente lineal Alta precisión Tiempo de respuesta corto Bajo costo 200 a 5000 ml/min 0 a 5 VDC

5 a 50 °C

Medición de temperaturaSensor basado en transistor

2N3904 (NPN de propósito general) Económico Alta linealidad Alta precisión Respuesta rápida Señal con buena potencia Libre de ruido

– +

Medición de nivelInterruptores de nivel magnéticos

Madison M8700-C Económico Diseño simple Indicación puntual Confiables Alarmas de nivel No funcionan para control continuo

Medición de nivelSensor basado en transmisor de presión

Cole-Parmer 68075-40 Diseño simple Alta linealidad Respuesta rápida Económico 0 a 3,5 mH2O 0,5 a 5,5 VDC

ActuadoresVálvulas de Solenoide Proporcionales (PSV)

Aalborg PSV5S-VA Flujo proporcional Bajo costo Corto tiempo de

respuesta 0 a 2850 ml/min 0 a 30 VDC

Acondicionamiento de señales

Acondicionamiento de señalesTemperatura

1

+8 V

L7805In Out

Com

U1

3

2

+U2

–

+8 V4,7 kΩ

R2

1,0 kΩ

R1

0-1,0 k

R4

10 k

R3

4,7 kΩ

R6

0-500 k

R5

330

R7

2N3904

+

–Q1

Vo

GND GND

GND

GND GND

1/4 LM324

Acondicionamiento de señalesNivel de líquido

+U1

–

10 kΩ

R4Vi

0-1,0 k

R2 Vo

+5 V

9,1 k

R1

1,0 k

R3

100 kΩ

R5

10 k

R6100 kΩ

R7

+U2

–

0-100 k

R8

10 k

R9

GND GND GND

1/4 LM324

1/4 LM324

Amplificación de potenciapara válvulas

Q1

TIP120

L1

75 Ω

R1

+12 V +30 V

+U1

–

VPWM

GND GND

D1Válvula PSV

1/4 LM324

Programas(Software)

SoftwareBERSAN-avr (Microcontrolador)

Administra la conversión A/D 6716 conversiones A/D por segundo @ 12 MHz 1,2 ms por cada 8 canales

Se comunica con la PC < 9 ms @ 57600 bps

Conversión D/A PWM 10-bit 0 a 5 VDC

No realiza cálculos para controlar el proceso

SoftwareBERSAN-pc (Interfaz gráfica para el usuario)

Adquisición de datos (registro) Realiza cálculos para controlar el proceso Modos

MANUALPID PosicionalPID Velocidad

Intervalo de muestreo variable

SoftwareBERSAN-pc

Resultados

ResultadosSensores y actuadores

Se comprueba la linealidad de todos los sensores.

Válvulas se traban ante cambios bruscos hacia los valores bajos (< 4 VDC), y siempre a los valores altos (> 21 VDC).

Se presenta ruido en el sensor de nivel a causa de las vibraciones del soporte.

ResultadosSeñal ruidosa

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,01

50

0

17

00

19

00

21

00

23

00

25

00

27

00

29

00

31

00

33

00

35

00

Muestra, i (adim.)

Niv

el m

ue

str

ea

do

, y

h (

%T

O)

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

1500

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

3300

3500

Muestra, i (adim.)

Niv

el f

iltr

ado

, y

h,f (

%T

O)

ResultadosSeñal filtrada

ResultadosFiltrado de señales

Distintos métodos de filtrado

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

4400

4600

4800

5000

5200

5400

5600

5800

6000

Muestra, i (adim.)

Niv

el (

%T

O)

Nivel muestreado

Cada Tc

Cada Ts

Filtro combinado

ResultadosFiltrado de señales

Distintos métodos de filtrado

20,00

22,00

24,00

26,00

28,00

30,00

32,00

34,00

36,00

38,00

40,00

200

400

600

800

1000

Muestra, i (adim.)

Niv

el (

%T

O)

Cada Tc

Cada Ts

Filtro combinado

ResultadosSimulación

Variable controlada

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Tiempo, t (s)

Niv

el d

e ag

ua, y

h (%

TO)

Consigna

Experimental

Simulado

ResultadosSimulación

Variable manipulada

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Tiempo, t (s)

Flu

jo d

e sa

lida

(%T

O)

Experimental

Simulado

Salida del controlador

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Tiempo, t (s)

Sa

lid

a d

el c

on

tro

lad

or, M

(%

CO

)

Experimental

Simulado

Conclusiones y recomendaciones finales

Conclusiones

Los flujos máximos reales son el 70% del valor de diseño (2850 ml/min), debido al trabamiento de las válvulas PSV.

El ruido causado por la bomba genera variaciones de ±5 % del valor instantáneo de la señal de nivel.

El atenuamiento de dicho ruido es adecuado para factores de filtro mayores a 0,90.

La temperatura de trabajo queda restringida al intervalo de 5 a 50 °C.

Conclusiones

El tiempo de muestreo y cálculo es menor a los 15 ms, operando a 57600 bps, pero conviene trabajar a intervalos mayores.

Las gráficas tras la simulación muestran un comportamiento que cumple con el modelo planteado, excepto por las no-linealidades de las válvulas.

Recomendaciones

Sustituir las válvulas PSV o darles mantenimiento a las actuales.

Acoplar el equipo con el Banco Hidráulico Gunt HM-150.

Instalar filtro analógico a la señal proveniente del sensor de presión.

Muchas gracias por su atención