Escuela de Ingeniería Electrónica - PROYECTO CORTO 2 · 2016. 3. 14. · La constante que se...

Laboratorio de Control Automático Control de flujo de la planta FESTO Pág. 1

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA II SEMESTRE 2014 ESCUELA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA CURSO: EL-5409 LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO MEDIO: Proyecto corto 2 FECHA: 10 de septiembre de 2014 PROFESOR: ING. EDUARDO INTERIANO ESTUDIANTES: D. CHACÓN, A. CHACÓN, J. JIMENEZ.

PROYECTO CORTO 2

Tema: Control del flujo de líquido de la planta FESTO.

Figura 1. Planta FESTO. Recursos:

1. Planta FESTO con m ódulo para el contro l de flujo de líquido (Bomba, Sensor Ultrasónico, Válvula Proporcional, PLC Siemens CPU 313C S7-300, tanque 10 L, válvulas manuales, tubería).

2. Computador con Matlab e Ident instalado. 3. Computador con Simatic S7 y driver del PLC instalado.


Descripción del trabajo:

Previamente a este laboratorio se obtuvo el modelo empírico de flujo de líquido para la planta FESTO con un experim ento similar al llevado a cabo en el laboratorio corto 1; laboratorio en el cual se estimuló la planta con señales rectangulares y los datos capturados con un osciloscopio InfiiniVision fueron proces ados con la herram ienta ident de Matlab. Para este proyecto corto 2, sus tareas consisten en: a) Utilizar la he rramienta sisotool de Matlab para diseñar un regulad or PI continuo adecuado para que el flujo de la planta FESTO se estabilice en 4s; b) Verificar, usando sim ulink, que el regulador PI diseñado es capaz de eliminar el efecto de las perturbaciones de entrada y de salida aplicadas a la planta y c) Implementar el control de flujo de líqui do constante, configurando el controlador PID del PLC junto con los demás elementos necesarios. Conocimientos previos

Funcionamiento mecánico de la planta:

Antes de iniciar con el trabajo, debe c onocerse el funcionam iento mecánico de planta, el c ual se de talla en los siguien tes puntos que hacen referencia al esquem a presentado en la figura 2: 1. El agua se almacena en tanque B101. 2. El control de flujo de agua se lleva a cabo por el sensor B102. 3. La bomba P101, lleva el agua hacia la válvula proporcional V106, la cual la devuelve al tanque B101 a través de la válvula V109. 4. La bomba P101 siempre se mantiene bombeando agua a su mayor capacidad. 5. Quien regula el flujo que circula en el sistema es la válvula proporcional V106. 6. El sensor de flujo FIC B102 es quien dete rmina el flujo de agua que entra en el tanque B101. 7. La perturbación al sistem a se realizan por medio de las válvulas m anuales V103, V104 y V109. (Nota: estas no deben de abrirse por com pleto ya que la bom ba no posee la capacidad de compensar perturbaciones muy grandes).


Figura 2. Diagrama de la Planta FESTO, para el control de flujo de líquido.

Modelo de la planta:

De forma similar a lo realizado en el experimento del laboratorio corto número 1 de este curso, se determinó el modelo para el flujo de agua, tomando como la de entrada de la planta la válvula proporcional V106, que al ab rirse o cerrarse controla el flujo hacia el tanque; y como salida de la planta, el flujo de agua m edido con el sensor de flujo B102. Al realizar los dis tintos estímulos a la en trada se obtuvo el siguiente diagrama que representa el comportamiento de la planta a lazo abierto.

Figura 3. Captura de la entrada de la válvula proporcional [V] y el nivel indicado por el

sensor de flujo [V] de la planta FESTO.


Al procesar los datos obtenidos se obtuvo el siguiente modelo empírico:

5.3279

12.68 0.9451

Descripción del entorno del regulador PI continuo

El sistema de lazo cerrado se compone de los elementos que se presentan en la figura 4, donde es importante destacar el regulador PI que deberá de dimensionar en la siguiente sección, como se puede apreciar en esta figura 4 el rectáng ulo enmarcado con líneas discontinuas es la planta que ya conocemos del punto a nterior, la retroalimentación se realiza a partir del sensor de flujo a las entradas del PID, y a este se le suma el nivel de referencia que se desea mantener constante, para eso prim ero pasa por una constante que convierte los litros por m inuto que se desean alcanzar a voltios para ser interpretados por el regulador. (Nota: la constante también la debe calcular el estudiante con los datos que se le facilitan en la sección posterior).

Figura 4. Diagrama de control la planta FESTO para el control de flujo.


Parte I: Diseño y simulación de un control PI para la planta FESTO Objetivo: Calcular un regulador PI para el contro l de flujo que elimine las perturbaciones y logre que el sistema tenga un tiempo de asentamiento de 4s. Procedimiento: Paso 1) En Matlab cree prim ero la variable "s" con la orden s=tf('s'). Luego escriba el modelo obtenido que se presenta a continuación:

5.3279

12.68 0.9451

Paso 2) En Matlab, ejecute la ord en sisotool('rlocus', ) para ejecutar la herramienta sisotool que le permitirá realizar el diseño del regulador PI. Paso 3) Coloque el requisito de diseño correspondien te al tiem po de estabilización en la ventana del sisotool con clic derecho sobre el área blanca y luego seleccionando un nuevo requisito de diseño. El tiempo de e stabilización del será de 4 se gundos, esta condi ción de diseño es representada por un línea vertical de color negro como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Ventana de diseño de la herramienta sisotool.


Paso 4) Agregue un regulador PI formado por un polo en s = 0, integ rador; y un cero en los alrededores del polo dom inante del sistema en lazo abierto. Puede editar el com pensador de forma gráfica, arrastrando con el ratón; o en la ventana de edición del com pensador, dando clic derecho en el área blanca y escribiendo el valor del polo o cero numéricamente. Paso 5) Ajuste de forma gráfica arrastrando el polo del sistem a a la región deseada, dentro de la región que define el tiem po de estabilización, para obtener un sistema resultante con un tiempo de estabilización del 2% menor a 4 s, y con cero e rror de estado estacionario. Para ello observe el comportamiento del sistema ante las modificacion es en la s imulación del sistema mostrada en la Fig. 6 que se obtiene al ir a “A nálisis – Respuesta al escalón”. Active el grid y las m ediciones de com portamiento (tS, MP) para visualiza r mejor el resultado obtenido en la simulación.

Figura 6. Respuesta ante un escalón unitario.

Paso 6) Cuando haya finalizado con la sintonizaci ón del regulador PI, exporte el diseño en sisotool al entorno de S imulink, para esto vaya a “Tools – D raw Simulink Diagram…”, el resultado debe ser com o el que se presenta en la figura 7. Responda si a la pregunta de si desea escribir al entorno de Matlab las variab les del diseño. Estas variables son llamadas F, H, C y G para el pre-regulador, el sensor, el regulador y la planta respectivamente.

Tiempo [s] (seconds)

Am

plit

ud [

l/s];

Am

plit

ud

[V]

0 1 2 3 4 5 60

0.5

1

1.5

2

2.5Respuesta de lazo cerrado ante un estímulo escalón unitario

System: Closed Loop r to yI/O: r to ySettling Time (seconds): 3.9


Figura 7. Implementación del controlador PI en Simulink.

Paso 7) Ahora en el entorno de Simulink, simule su sistema regulado con PI y verifique que se mantiene el sistema bien compensado aun en presencia de perturbaciones de entrada y de salida (relativas a la planta), puede añadir éstas agregando nuevos escalones que actúen en distintos tiempo, para ello fo rme un diagram a como el que se m uestra en el siguiente ejemplo.

Figura 8. Ejemplo de simulación de la planta con perturbaciones.

Paso 8) Para verificar el correct o funcionamiento, presionamos el botón Play, y dam os doble click sobre el osciloscopio pa ra observar la respu esta de nuestro sistema de lazo cerrado ante la entrada de excitación, la imagen debe responder de forma correcta según los parámetros de tiempo de respuesta establecidos antes; el escalón y las perturbaciones tal y como se presenta a continuación a modo de ejemplo.


Figura 9. Simulación de entrada escalón y perturbaciones.

Paso 9) Si todo se com portó correctamente llene los siguientes datos de las constantes del regulador PI para con tinuar con las dem ás secciones. Recuerde que debe descomponer el regulador PI obtenido a la form a paralela us ando la función de Ma tlab “residue”, para representarlo de la siguiente forma:

Y extraiga los valores de las constantes, recuerde que ti se obtiene de Ki.

Kp = __________, Ki = __________, ti = __________ Nota: Debe llevar calculado esto antes de ir al laboratorio.


Parte II: Cálculo de la constante K Objetivo: Calcular la constante que convierte los litros por minuto que se desean alcanzar a voltios para ser interpretados por el regulador. Procedimiento:

Con los datos que se le proveen en la tabl a 1 realice el cálculo de la función de mejor ajuste que refleja el com portamiento del sistema para realizar la conversión de litros por minuto a valores de porcentajes de tensión. Nota: El P LC trabaja sus parám etros, en este caso la tensión, como por centajes de acuerdo a su valor máximo. Esta linealización se debe realizar ya que la relaci ón entre el flu jo y el sensor no es 1:1, por lo tanto se debe determinar la relación entre los valores de referencia (en escala porcentual) y la cantidad de litros/minuto que se desea mantener.

Tabla 1. Valores medidos para la linealización del sistema. Litros

(L/min) Valor (%)

0 0 1,75 22 3,5 44

Paso 1) Grafique en Excel u otras aplicaciones similares los valores de la tabla 1. Paso 2) Encuentre la recta de mejor ajuste para el gráfico que obtuvo en el punto anterior y copie su ecuación a continuación:

y = ___________ ·x

La constante que se determ inó es la constant e de entrada, la cual se aprecia en la figura 4 en el d iagrama de lazo cerrado, y que p ermitirá convertir a un valor de tensión los litros por minuto a los que desee trabajar el sistema para su procesamiento por el PLC. Nota: Debe llevar calculado esto antes de ir al laboratorio.


Parte III: Preparación del equipo Paso 1) Encienda la PC que se encuentra en el laboratorio junto a la planta. Paso 2) Verifique que el cable de program ación de la planta esté conectado tanto al P C por medio de USB, como a la planta por medio de RS-232. Paso 4) Conecte la planta FESTO, y verifique que la fuente DC que posee esta se encuentre encendida también. Paso 5) Configure la planta FESTO de forma manual tal como indica la tabla 2, apóyese en la figura 2 y en las etiquetas de la planta:

Tabla 2. Ajustes de la planta FESTO para el experimento. Función Propiedades Comentario

Tanque B101

Nivel de agua a 3 Litros

Debe llenar este tanque a 3 Litros

Válvula V103

Cerrada Debe cerrarse de forma manual

Válvula V104

Cerrada Debe cerrarse de forma manual

Válvula V105

Cerrada Debe cerrarse de forma manual, esta se usa en

caso de que se sobrepasen los 3 Litros en el tanque B101

Válvula V106

Activa Debe programarse en el PLC

Válvula V109

Abierta Debe abrirse de forma manual

Llave AUTOMAN

Desactivada (Posición vertical)

Debe girar esta llave en sentido contrario a las manecillas del reloj, de modo que quede en

posición vertical.

Interruptor PLC

Run Coloque el interruptor del PLC en la posición Run, si en algún momento requiere detener la

planta puede colocarlo en Stop. Nota importante: Las demás válvulas ajenas al e xperimento deben mantenerse cerradas para no afectar la trayectoria del agua.


Parte IV: Programación del PLC para la realización del control de flujo de la planta Programación inicial:

Tanto para la obtención del m odelo de la planta com o para la program ación del controlador de nivel es necesaria un a configuración inicial de un nuevo proyecto ; esta se muestra a continuación mediante una serie de pasos:

Paso 1) Inicio Programas SIMATIC SIMATIC Manager

Figura 10. Correspondiente al Paso 1


Paso 2) File New


Paso 3) [Name: Control_Flujo_”Nombres de su grupo”] [Type: Project] [Storage location: C:\Programs\Siemens \Step7\S7_Proj] OK



Paso 4) Insert Station 2 SIMATIC 300 Stations


Paso 5) [+] Control_Nivel SIMATIC 300(1) (click dentro de la estación) Hardware (doble click)



Paso 6) [+] SIMATIC 300 [+] RACK-300 Rail (doble click)


Paso 7) [+] SIMATIC 300 [+] CPU -300 [+] CPU 313 C 6ES7 313-5BE01-0AB0 (doble click). Nota: Debe dar click en algún espacio de la casilla (0) UR antes de realizar el doble click.



Paso 8) Module: CPU 313C (doble click) Cycle/Clock Memory [() Clock mem ory] [Memory Byte: 100]


Paso 9) Retentive Memory [Number of Memory Bytes… : 0] [Number of S7 Tim er… : 0][Number of S7 Counters… : 0]



Paso 10) Cyclic Interrupts [OB35: Execution: 50] OK


Paso 11) Station Save and Compile



Paso 12) PLC Download


Paso 13) Se elige CPU 313COK



Paso 14) MPI address: 2OK


Paso 15) OK a las pantallas que se presente y YES si solicita un reinicio del PLC.



Paso 16) Station Exit


Paso 17) [+] SIMATIC 300(1) [+] CPU 313C S7 Program (1) (click) Symbols

(doble click)



Paso 18) Editar todos los siguientes símbolos:


Tabla 3. Símbolos editados. Symbol Address Comment

Entradas del Panel de Control

START E125.0 Start button Touch panel

STOP E125.1 Stop button Touch panel

AUTOMAN E125.2 Auto/Manu switch Touch panel

RESET E125.3 Reset button Touch panel

Entradas analógicas a la estación

AI_Flow PEW 754 Analog input channel 1 level sensor

Salidas lógicas de la estación

PumpDig A124.3 Pump digital, only when PumpPreset =0

Propval A124.4 Activiate proportional valve

Salidas analógicas de la estación

AQValve PAW 754 Analog output channel 1 prop.valve

Paso19) Symbol Table Save Symbol Table Exit


Implementación del regulador PI en el sistema PLC Para la pro gramación del PI es n ecesario tener ya calculados los parám etros del

controlador que será im plementado en el ser vo, tales como: Kp, Ki, Kd, calculados en las secciones anteriores.

El software de program ación STEP 7 de SIEMENS lleva integrado un bloque funcional PID FB 41 (“CONT_C” ) que será utilizado para la program ación del PID requerido. Es importante conocer el esquema de bloque de función del “CONT_C”, para así poder configurar cada una de las señales ad ecuadamente según lo requiera nuestro PID. Este esquema se muestra a continuación:

Figura 21. Esquema de bloque de función PID FB 41 “CONT_C”

Como se puede apreciar el bloqu e “CONT_C” cuenta con señales de entrada y

salida que cum plen distintas funciones. Por esta razón se debe definir la ruta de funcionamiento de nuestro PID según lo requer imos, a continuación se muestra dicha ruta en color rojo:


Figura 22. Ruta requerida para configurar nuestro PID FB 41 “CONT_C”

Para lograr definir esta ruta debemos asegurarnos que cuando programemos nuestro

PID en STEP 7 las señales posean el valor o la condición debida. Dado que las señales de entrada ya poseen un valor por “default” es necesario corregir ciertas señales, la tabla 4 contiene las señales a las cuales debemos realizarles modificaciones:


Tabla 4. Configuración del PID requerida. Parámetro Tipo de Dato Rango de valores Default Configuración

requerida COM_RST BOOL FALSE MAN_ON BOOL TRUE FALSE

PVPER_ON BOOL FALSE TRUE P_SEL BOOL TRUE I_SEL BOOL TRUE

INT_HOLD BOOL FALSE I_ITL_ON BOOL FALSE

D_SEL BOOL FALSE CYCLE TIME >= 1ms T#1s SP_INT REAL -100.0...100.0 (%)

or phys. value 1) 0.0

PV_IN REAL -100.0...100.0 (%) or phys. value 1)

0.0

PV_PER WORD W#16#00 00

MAN REAL -100.0...100.0 (%) or phys. value 2)

0.0

GAIN REAL 2.0 1.21 TI TIME >= CYCLE T#20s T#672MS TD TIME >= CYCLE T#10s

TM_LAG TIME >= CYCLE/2 T#2s DEADB_W REAL >= 0.0 (%)


LMN_HLM REAL LMN_LLM ...100.0 (%)

or phys. value 2)

100.0

LMN_LLM REAL -100.0... LMN_HLM (%) or phys. value 2)

0.0

PV_FAC REAL 1.0 PV_OFF REAL 0.0

LMN_FAC REAL 1.0 LMN_OFF REAL 0.0 I_ITLVAL REAL -100.0...100.0 (%)


DISV REAL -100.0...100.0 (%) or phys. value 2)

0.0


En cuanto a la programación de nuestro P ID, también se deben de seguir una serie de pasos: Paso 1) [+] SIMATIC 300(1) [+] CPU 313C [+] S7 Program (1) Blocks (click)


Paso 2) OB1 (click derecho) Delete Yes



Paso 3) Insert S7 Block 1 Organization Block


Paso 4) [Name: OB1] [Created in Language: FBD] OK



Paso 5) Insert S7 Block 3 Function


Paso 6) [Name: FC3] [Created in Language: FBD] OK



Paso 7) Insert S7 Block 1 Organization Block


Paso 8) [Name: OB35] [Created in Language: FBD] OK



Paso 9) OB1 (doble click) InsertNetwork


Paso 10) Insertamos un bloque CALL



Paso 11) Lo nombramos como FC3

Figura 33. Correspondiente al Paso 11 Paso 12) File Save File Exit Paso 13) FC3 (doble click) InsertNetwork1/Network2



Paso 14) View FBD


Paso 15) File Save File Exit

Paso 16) OB35 (doble click) [+] Libraries [+] Standard Library [+] PID Control Blocks FB41 CONT_C_ICONT (doble click)



Paso 17) Definimos el nombre como DB41ENTER


Paso 18) Yes



Paso 19) Agregamos las siguientes señales en sus correspondientes entradas y salidas


Paso 20) File Save File Exit

Paso 21) DB41 (doble click) Yes Editamos los parámetros correspondientes a nuestro PID como se mencionó anteriormente



Paso 22) File Save File Exit Paso 23) Blocks PLC Download


Paso 24) ALL Yes Yes OK Yes Paso 25) Se vuelve a abrir el bloque FC3(doble click)

Figura 42. Correspondiente al Paso 3 Paso 26) InsertNetwork3


Paso 27) View STL

Figura 43. Correspondiente al Paso 8 Paso 28) Introduzca en el espacio de trabajo de la Network3, sustituyendo por los valores obtenidos de m y b obtenidos en el Paso 2:

L 2.000000e+000 L 1.2570000e+001 *R T MD 30

Importante: En esta línea de código (subrayada en amarillo) es donde establecemos el nivel de flujo de agua que deseamos en lit ros/min, en este ejemplo vamos a mantener un nivel constante de 2 L/m in. Es por ello que si deseamos por ejemplo 1 L debem os modificar esta línea con 1.000000e+000



Paso 29) Sustituir el Valor de SP_INT en el bloque OB35 con la bandera MD30 para poder modificar el valor de litros directamente desde el bloque FC3:



Parte V: Funcionamiento del regulador PID Paso 1) Gira la llave de AUTOMAN a la derecha para iniciar. Una vez hecho esto la bomba comenzó a trabajar a su m áximo nivel, y el regulador ya debió de actuar para regular el flujo de agua al valor establecido en los puntos anteriores. Paso 2) Para apreciar de mejor forma el comportamiento del regulador, inicie el monitor, para ello vaya a PID Control como se muestra en la siguiente imagen.



Paso 3) Ahora en la ventana em ergente vaya a File Open (escoja su p royecto) Blocks DB41 Online (para activar la función en tiempo real) OK

Figura 47. Correspondiente al Paso 3.

Paso 4) Vaya a Debug Curve Recorder y cam bie la opción Manipulated Variable a Automatic Operation.



Paso 5) Ahora presiones Start en el monitor y prosiga con el experimento.


Paso 6) Perturbe el sistema moviendo manualmente las válvulas indicadas en la tabla 2 y verifique el correcto funcionam iento del regulador, el cual d ebe eliminar el efecto d e las perturbaciones. Paso 7) Guarde una im agen con los resultados que se muestran en el m onitor, con la regulación inicial y al menos dos perturbaciones, adjunte estos datos en su informe. NOTA: Los resu ltados finales del proyecto corto deben ser envi ados en un archivo (zip) conteniendo todos los docum entos utilizados para realizar el diseño y sim ulación a m ás tardar dos sem anas después de haber rea lizado la experiencia según el calendario establecido a la dirección [email protected].

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