ESCUELA POLITCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA

'DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNSISTEMA DE CONTROL

DE NIVEL DE LQUIDOS"

DIEGO SANTIAGO BENITEZ MEJIA

TESIS PREVIA A LA OBTENCINDEL TITULO DE INGENIERO

EN ELECTRNICA Y CONTROL

QUITO, NOVIEMBRE 1994

Certifico que el presente trabajoha sido elaborado en su totalidad

por el seor Diego Santiago BentezMeja.

ING. PATRICIO BURBANO ROMERODirector de Tesis

AGRADECIMIENTO

Doy gracias a Dios y a todas las personasque de una u otra manera han colaboradoen mi formacin, y de manera muy especialal seor Ingeniero Patricio Burbano, sin cuyadireccin y sabios consejos, no hubiese sidoposible culminar este trabajo.

CONTENIDO

CAPITULO I: INTRODUCCIN Pginaso

1.1 Introduccin 11.2 Sistema de control de nivel de lquidos 21.3 Esquema de control 4

CAPITULO H: DISEO Y CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO

2.1 Diseo del prototipo de control de nivel de lquidos 62.1.1 Modelo y pruebas de simulacin realizadas para determinar las

dimensiones del prototipo 62.2 Sensor y acondicionamiento de seal 152.2.1 Descripcin general del sensor SCX01DNC de la casa SENSYM 172.2.2 Caractersticas del sensor de presin SCX01DNC 202.2.3 Acondicionamiento de seal 212.2.3.1 Discucion general de la tarjeta SCX-EB 212.2.3.2 Diseo de la tarjeta SCX-EB 242.2.3.3 Dimensionamiento de la resistencia RT 312.3 Bomba y acondicionamiento de seal 32

2.3.1 Acondicionamiento de seal 332.4 Vlvulas de control de flujo 382.5 Construccin del prototipo 402.6 Mdulo de control 412.6.1 Circuitos de sealizacin 442.6.2 Fuentes de poder 462.6.2.1 Fuente para el circuito de control 462.6.2.2 Fuente para el circuito de potencia de la bomba 47

CAPITULO IH: DISEO DEL CONTROL

3.1 Control anlogo 483.1.1 Consideraciones previas para el diseo del controlador PID anlogo 483.1.2 Modelacin de la planta a compensar 493.1.2.1 Funcin de transferencia de la bomba centrfuga 493.1.2.2. Funcin de transferencia del sensor de presin diferencial ms el

acondicionamiento de seal 503.1.2.3 Funcin de transferencia del prototipo d tanques acoplados 513.1.3 Diseo del controlador PID anlogo 523.1.3.1 Sistema de primer orden 523.1.3.2 Sistema de segundo orden 533.1.3.3 Sistema de tercer orden 553.1.4 Circuito implementado para el controador PID anlogo 563.2 Control digital 583.2.1 Software desarrollado para control 593.3 Pruebas de simulacin 61

CAPITULO IV: RESULTADOS Y CONCLUSIONES

4.1 Resultados experimentales 664.1.1 Control manual 664.1.2 Comprobacin del funcionamiento del driver de de y de la bomba de

inmersin 664.1.3 Comprobacin de los interruptores de nivel 674.1.4 Control de nivel en forma manual 674.1.5 Pruebas de funcionamiento y calibracin del sensor de nivel 684.2 Control anlogo 684.2.1 Sistema de primer orden 694.2.2 Sistema de segundo orden 734.2.3 Sistema de tercer orden 74

4.3 Control digital 754.3.1 Control digital utilizando el equipo KETHLEY 500A 804.4 Conclusiones 834.5 Recomendaciones 84

BIBLIOGRAFAANEXOSA Manual de usuario del equipoB Manual de calibracin del equipoC Manual de ususario del programa de controlD Fotografas del equipo en operacinE Copias de las especificaciones de los componentes utilizadosF Listado del programa de las subrutinas para control de nivel de lquidos

1.1 INTRODUCCIN

El presente trabajo tiene por objetivo disear y construir un prototipo para realizarel control de nivel de lquidos tanto de manera analgica como digital, orientado a suutilizacin en prcticas de control automtico sobre un prototipo a escaa que representaun sistema real.

Se busca producir un equipo de laboratorio de fcil manejo y mantenimiento; y,que permita entender de manera conveniente los problemas de control de nivel de lquidosen procesos industriales. Cabe mencionar que se escogi este tipo de proceso paraimplementar el control, pues se trata de un sistema con constantes de tiempo relativamentegrandes lo que lo hace muy til para ensayos, a pequea escala en laboratorio.

El equipo didctico a construir permitir realizar un estudio prctico de las dife-rentes tcnicas de control aplicadas a un sistema real.

El equipo en s, consta de un prototipo de nivel de lquidos que constituye la planta,formada por tres tanques acoplados, para representar sistemas de primero, segundo y tercerorden, sobre los cuales se va a trabajar, y un mdulo de control principal dividido en dossubmdulos, analgico y digital, que es el encargado de realizar el control sobre la planta,a fin de cumplir con los requerimientos asignados al sistema.

Una de las caractersticas del equipo es poseer fuentes de alimentacin propias tantopara la circuiteria de control como para el circuito de potencia, lo que le da ciertaautonoma de trabajo. Sin embargo, para realizar el control digital del prototipo se requirede un sistema de adquisicin de datos y de un computador que deben ser conectados al

mdulo principal de control.

La tesis empieza en el Captulo I con la parte introductoria del sistema de controlde nivel de lquidos a construir, en donde se exponen de manera general las caractersticasprincipales de que dispondr el sistema.

2A continuacin, en los Captulos U y IH se presenta de manera detallada el diseo

y construccin de las diferentes partes que conforman el prototipo de control de nivel de

lquidos, as como tambin de las partes concernientes a los mdulos de control a serimpleraentados en el presente trabajo.

Finalmente, en los Captulos IH y IV se dedica una seccin a realizar pruebas de

simulacin y anlisis de pruebas del equipo bajo distintos esquemas implementados, paraobtener una evaluacin concreta del funcionamiento del prototipo y las conclusiones

pertinentes.

1.2 SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL DE LQUIDOS

Para realizar el control de nivel de lquidos, en el presente trabajo, se ha previstola utilizacin de un prototipo de tres tanques acoplados a travs de vlvulas que permite

simular sistemas de primero, segundo y tercer orden si se utiliza un tanque, dos tanques y

tres tanques respectivamente.

La parte de control contiene dos tipos de controladores electrnicos exclusivamente.

Un control de tipo anlogo que cuenta con un controlador del tipo PID y un controlador

de tipo digital que se sirve de un sistema de adquisicin y salida de datos, el cual, est

conectado a un computador digital en donde se realiza el control por software.

El controlador sea anlogo o digital, operar sobre una seal de error, la cual es la

diferencia instantnea entre el valor deseado o de referencia y el valor actual o medido, en-

viando el resultado hacia un actuador (bomba de De) que maneja la variable caudal deentrada del lazo de control, con el objeto de hacer que la salida tienda, en lo posible, a laseal de referencia.

Para el trabajo como sistema de primer orden, es decir un solo tanque, se utilizarun control del tipo PI dadas las caractersticas dinmicas del sistema de control de nivel

de lquidos. En este caso, la parte derivativa del controlador PID no se utilizar pues el

sistema no presenta una adecuada respuesta.

Si se la utiliza, se debe hacerlo en mnimo grado para fines didcticos, o en

funcionamiento como sistema de segundo o tercer orden; esto es, de dos o tres tanques

acoplados respectivamente .

TANQUES ACOPLADOS

ESERVOftHD

FIGURA 1.1 PROTOTIPO DE TANQUES ACOPLADOS.

La seal de realimentacin al sistema de control proviene de un sensor de presin

diferencial de estado slido que sensa indirectamente el nivel de lquido en el ltimo

tanque del prototipo, para controlar la variable de salida del lazo de control, que en este

caso ser la altura o nivel del lquido en el ltimo tanque. Se utilizar un sistema de

bombeo de lquido dentro del tanque, como lo muestra la figura 1.1 .

En resumen, el equipo cuenta con dos maneras eficientes de realizar el control y que

ofrecen un medio didctico a travs del cual se puede analizar y experimentar con la

variable a tratar dentro del proceso.

1.3 ESQUEMA DE CONTROL

El esquema de bloques simplificado con el que se realizar el control del prototipode control de nivel de lquidos se muestra en la figura 1.2 en donde se ilustra el lazoprincipal de control, al cual ingresan las seales correspondientes al nivel de referencia yal nivel real, provenientes de los acondicionadores respectivos, la diferencia de dichasseales da como resultado la seal de error del sistema que es con la que se va a trabajar.

En cascada se tiene el mdulo de control PID anlogo que tiene posibilidad detrabajar en la configuracin de controlador tipo P, PI, o PID de acuerdo a como se escoja.En caso de que no se desee trabajar con el controlador analgico, se puede conectar enlnea al computador digital mediante un sistema de adquisicin y salida de datos. Lafuncin tanto del controlador analgico como del digital es compensar el sistema para teneruna adecuada respuesta transitoria como en estado estable.

La seal proveniente del controlador, ya sea el analgico o el digital, va a unactuador que en este caso es un drive y bomba de DC, encargado de manejar el sistemade bombeo de lquido dentro del tanque , de tal manera de variar el caudal de entrada a la

planta.

La seal de salida de la planta, que en este caso es el nivel o altura del lquidodentro del tanque, es sensada de manera indirecta a travs de un sensor de presindiferencial de estado slido y realimentada luego de un acondicionamiento adecuado al lazoprincipal de control.

Cadaen el desarrollo

uno de los bloques mostrados en la figura 1.2 se ilustrar con mayor detallelio de la presente tesis.

REF.

NIVEL

DESEADO

C O N T R O L

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CAPITULO H: DISEO Y CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO

2.1 Diseo del prototipo de control de nivel de lquidos

2.1.1 Modelo y pruebas de simulacin realizadas para determinar las

dimensiones del prototipo

2.2 Sensor y acondicionamiento de seal

2.2.1 Descripcin general del sensor SCX01DNC de la casa SENSYM

2.2.2 Caractersticas del sensor de presin SCX01DNC

2.2.3 Acondicionamiento de seal

2.2.3.1 Discucin general de la tarjeta SCX-EB2.2.3.2 Diseo de la tarjeta SCX-EB2.2.3.3 Dimensionamiento de la resistencia RT

2.3 Bomba y acondicionamiento de seal

2.3.1 Acondicionamiento de seal

2.4 Vlvulas de control de flujo2.5 Construccin del prototipo

2.6 Mdulo de control

2.6.1 Circuitos de sealizacin

2.6.2 Fuentes de poder

2.6.2.1 Fuente para el circuito de control

2.6.2.2 Fuente para el circuito de potencia de la bomba

62.1 DISEO DEL PROTOTIPO DE CONTROL DE NIVEL DE LQUIDOS

Lo primero que se debe determinar es la forma y dimensiones que va a tener elprototipo de control de nivel de lquidos.

Dado que se trata de un mdulo didctico, se ha previsto que la planta puedafuncionar como un simple sistema de primer orden o como un sistema ms complicado desegundo o tercer orden, para ello se ha construido un sistema de tres tanques acopladosentre s mediante vlvulas de control de flujo que permiten variar las caractersticas delsistema, con una sola entrada y una sola salida, es decir un sistema univariable. El ordendel sistema esta dado por el nmero de tanques acoplados que se utiliza en una determinadaaplicacin. Por ejemplo, si se desea trabajar con un sistema de segundo orden se debetrabajar con dos de los tres tanques acoplados del prototipo. Cabe mencionar que siempreel control se realiza sobre la altura o nivel del lquido (en este caso agua) del ultimotanque, en donde se sensa el nivel del lquido de manera indirecta a travs del sensor depresin diferencial.

Para determinar las medidas de los tanques del prototipo es necesario realizar unamodelacin y simulacin de la planta a fin de conocer las dimensiones adecuadas quehacen que el sistema responda adecuadamente a nuestros propsitos. A continuacin sepresentan las ecuaciones necesarias para representar al sistema de acuerdo al orden del

mismo.

2.1.1 MODELO Y PRUEBAS DE SIMULACIN REALIZADAS PARADETERMINAR LAS DIMENSIONES DEL PROTOTIPO

Considrese a la planta como un sistema de primer orden, (un solo tanque) figura2.1, en estas condiciones las ecuaciones dinmicas que describen al sistema son:

(2 .1 )

donde: Qi= caudal de entrada al tanque [m3/s]Qo= caudal de salida del tanque [m3/s]Qa~ caudal almacenado en el tanque [m3/s]

FIG. 2.1 ESQUEMA BSICO DEL PROTOTIPO DE NIVEL DELQUIDOS,SISTEMA DE PRIMER ORDEN

El forma el caudal de salida del tanque viene dado por:

(2 .2 )

donde: hl= altura del agua en el tanque [m]Kv= constante de la vlvula [m3/h]

Se considera que la vlvula de desfogue se encuentra al ras de la base del tanque.

Creuss, A., 'Instrumentacin Industrial", 2da. Edicin, Editorial Marcombo, pg. 389

El volumen almacenado dentro del tanque puede representarse por:

dt ( 2 3)

donde: Va= volumen del tanque ocupado por el agua [m3]A = rea transversal del tanque [m2]

Reeemplazando las ecuaciones (2.2) y (2.3) en la ecuacin (2.1) se tiene:

/*") ^ . ...- .-- -f-J? _ / r i 7 f l n 7 -^-V . /ri 7^-u 1^ _ r j\ y -IJX -rl * IJX VTT * V ^ -i -*-dt ( 2 . 4 )

El segundo trmino de la ecuacin 2.4 no es un trmino lineal, para linealizarlo, se

debe derivar esta expresin y evaluarla en el punto de operacin (Hl= altura de trabajo=16 cm.)-

Linealizando la ecuacin 2.4 se tiene:

Kv .hl

2.A.JHI ( 2 . 5 )

Aplicando la transformada de Laplace a esta ltima ecuacin queda:

7 / x / r , x I T T / v *H(S) ^2^ J T f C \ f fr 4 C i H / C l :T- v , rr , .^ _^A -^ be -^ \ ^ / \ ^ - 1 " / * *^ * \ J ^Ci(s) k^+s 2 _ f i

donde: k1=Kv/(2.-

Hl= altura de trabajo =16 cm.Kv= constante de la vlvula [m3/h]

Si se considera ahora el sistema de segundo orden (dos tanques acoplados), figura2.2, las ecuaciones dinmicas que describen al sistema estn dadas por:

(2.7)

( 2 . 8 )Haciendo las mismas consideraciones que en el caso anterior, es decir que las vl-

vulas de control de flujo, tanto la de salida como la vlvula que comunica a los dos tan-ques, se encuentran al ras de la superficie del tanque; que las vlvulas de control de flujoposeen las mismas caractersticas, y que los tanques tienen la misma seccin transversal,se puede representar al sistema por:

0.1

FIG. 2,2 DOS TANQUES ACOPLADOS, SISTEMA DE SEGUNDO ORDEN

dhldt (2.9)

=a . h'2(2.10)

10

Linealizando las ecuaciones 2.9 y 2.10 en los puntos de operacin (H2=16 cm yHl=18 cm) se tiene:

2.

11

FIG. 2.3 TRES TANQUES ACOPLADOS.SISTEMA DE TERCER ORDEN

De manera similar si se considera al sistema de tercer orden (tres tanquesacoplados) de la figura 2.3, las ecuaciones dinmicas que describen al sistema son:

Ql2=Qa+Q23

(2.15)

(2 .16)

Q23=Qa3+Qo(2 .17)

Haciendo las mismas consideraciones que en el caso anterior y linealizando lostrminos no Unales en los puntos de operacin Hl=18,5 cm, H2=16 cm y H3=14 cm,aplicando la transformada de Laplace a las ecuaciones 2.15, 2.16 y 2.17, y resolviendo elsistema de ecuaciones formado, se obtiene la siguiente funcin de transferencia de la planta

para el sistema de tercer orden:

(2.18)H3(s) _Qi ( s ) + 2 . . kt +2

donde: k1=Kv/(2.AV(Hl-H2))k2=l/Ak3=Kv/(2.AV(H2-H3))

12

Kv=constante de la vlvula [m3/h]

Si al igual que en el caso anterior se asume que las vlvulas que comunican a los

tanques entre s estn totalmente abiertas, el sistema de tercer orden se reduce a un sistemade primer orden cuya funcin de transferencia es:

H3(s} _ iQi(s} 3s+4 ( 2 .19 )

donde: kz-l/A

H3= punto de operacin (16 cm.)Kv=capacidad de la vlvula [m3/h]

Realizando pruebas de simulacin coa las ecuaciones 2.6, 2.14 y 2.19 se detennin

que las dimensiones convenientes que debe tener cada tanque para que el prototipo trabajeadecuadamente (constantes de tiempo no muy grandes) son:

A= seccin transversal del tanque 144 cm2

(12 cm * 12 cm)h= altura de cada tanque 40 cm

Se consideran vlvulas de control de flujo del tipo de aguja con un Kv=0.9288 [m3/h].

El punto de trabajo en el ltimo tanque debe ser aproximadamente 16 cmreemplazando valores en las ecuaciones 2.6, 2.14 y 2.19 y graneando la respuesta en eltiempo, en lazo abierto para una entrada paso unitario en el programa CAD CONTROL se

obtienen los siguientes grficos:

13

.94

,81

28

FIG. 2.4 RESPUESTA EN LAZO ABIERTO AFUNCIN PASO ECUACIN 2.6 (1 TANQUE)

38 9 12fl

FIG. 2.5 RESPUESTA EN LAZO ABIERTO AENTRADA PASO ECUACIN 2.14 (2 TANQUES)

14

m

FIG. 2.6 RESPUESTA EN LAZO ABIERTO AENTRADA PASO ECUACIN 2.19 (3 TANQUES)

Cabe mencioar en este punto que las aproximaciones realizadas para convertir alsistema en un sistema lineal son tiles en la vecindad del punto de operacin, por ello selas utiliza nicamente para determinar las constantes de tiempo de cada sistema

aproximados a uno de primer orden y poder as determinar las dimensiones del prototipo.Esta aproximacin es til adems para el diseo del control. Para determinar la respuestadel sistema, es decir simular el proceso, se debe trabajar con las ecuaciones no lineales,empleando el mtodo de integracin de Runge Kutta, o en el modelo lineal aadiendo la

correccin pertinente.

Se consideran vlvulas de control de flujo del tipo de aguja con un Kv=0.00 [m3/h]. Segnse puede observar de los grficos anteriores; y, con las dimensiones indicadas las constantes

de tiempo no son muy grandes.

En el captulo IH se ampliar en detalle el modelo y la simulacin del prototipotanto para sistemas de primero, segundo y tercer orden as como tambin se compararnestos modelos con los resultados experimentales obtenidos.

15

2.2 SENSOR Y ACONDICIONAMIEMTO DE SEAL

La parte ms crtica de todo proceso es la medicin exacta de la variable de salida,en este caso el nivel del lquido en el ltimo tanque del prototipo. Por lo tanto el sensor

a utilizarse para este propsito debe, a ms de ser bastante preciso, presentar una buenainsensibilidad al ruido, ser bastante lineal en todo el rango de trabajo, tener una buenasensibilidad y por supuesto no verse afectado por los cambios de temperatura.

En un principio se pens utilizar un sensor del tipo capacitivo para medir el nivelde agua en el ltimo tanque del prototipo, pero ste tipo de sensor depende de la constante

dielctrica del lquido con el que se esta trabajando. En este caso el agua tiene unaconstante dielctrica que varia con la temperatura y adems depende del grado deimpuresas que posee el agua, por tal motivo la calibracin del acondicionamiento de seal

de este tipo de sensor tendra que ser permanente; adems, la seal que produce este tipode sensor est en el orden de los pF lo que lo hace muy sensible a interferencias por ruidoy complica el acondicionamiento de la seal. Por todas estas razones, este tipo de sensores descartado para esta aplicacin.

Otro tipo de sensor que se pens en utilizar es del tipo flotador potenciomntrico,pero fue tambin descartado por tener partes mviles dentro del tanque que con el tiempose desgastan y deterioran alterando las medidas, adems de ser sensible a las ondulaciones

en la superficie del lquido.

Finalmente se opt por utilizar un sensor de presin que carece de las desventajasde los sensores anteriores y adems presenta una serie de caractersticas que lo hacen idealpara ste propsito.

El sensor utilizado es un sensor de presin diferencial de estado slido(SCX01DNC) que sensa indirectamente el nivel del lquido en el tanque, fabricado por lacasa SENSYM

16

Sensa indirectamente el nivel del lquido en el tanque porque en realidad lo quemide es la presin hidrosttica en el fondo del ltimo tanque del prototipo, pero como lapresin hidrostca es directamente proporcional a la altura del lquido que la produce sepuede utilizar a este sensor para medir el nivel del lquido.

Se utiliza la configuracin diferencial, pues en el fondo del tanque lo que se tienees la suma de la presin hidrosttica, producida por a columna de agua, ms la presinatmosfrica, entonces para tener nicamente la presin hidrosttica, que es la que interesa,se debe restar la presin atmosfrica a la presin sensada en el fondo del tanque, (verfigura 2.7)

Pm

Ph

Pa+Ph

FIG. 2.7 UTILIZACIN DEL SENSOR DE PRESIN DIFERENCIAL

donde: Pa= presin atmosfricaPh= presin hidrosttica=5.g.h6 = densidad del agua [1 Kg/cm3]g= gravedadh= altura del agua dentro del tanque

17

2.2.1 DESCRIPCIN GENERAL DEL SENSOR SCXOIDNC DE LA CASA SENSYM

La serie de sensores de presin SCX C de la casa SENSYM a la cual pertenece elsensor SCXOIDNC (figura 2.8) que se utiliza en el prototipo son del tipo que dan unvoltaje de salida proporcional a la presin aplicada. Son sensores con compensacin detemperatura y calibracin interna lo que da como resultado una salida estable y confiableen un rango de 0C a 70 C y estn diseados para trabajar con fluidos gaseosos nocorrocivos y no inicos como son aire y gases secos.

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44

2.6.1 CIRCUITOS DE SEALIZACIN

Estos circutos son utilizados para observar el nivel de referencia al que se desea

llegar utilizando el control de tipo analgico con el que cuenta el equipo y para monitorearel nivel real sensado en el ltimo tanque del prototipo.

El circuito que se utiliza, bsicamente tiene el mismo principio en ambos casos, lo

nico que varia es que en el caso del nivel de referencia el voltaje que ingresa al circuitoproviene de un divisor de tensin formado por un potencimetro de perilla , que sirve para

fijar la altura de referencia, en paralelo al potencimetro se encuentra un diodo zener quesirve para fijar el voltaje a los extremos del potencimetro entre O y 10 V; en cambio, parael indicador del nivel real este voltaje de ingreso al circuito proviene directamente delcircuito de acondicionamiento de seal de salida del sensor de presin diferencial (tarjetaSCX-EB).

El circuito en cuestin (figura 2.19) esta formado por un circuito integradoECG2054 que es un conversor anlogo-digital con barrido de display conectado a otrocircuito integrado ECG2032 que es un driver de corriente y que sirve para manejar lacomente de los 3 displays de 7 segmentos de nodo comn ECG3050. El control delbarrido de los 3 dgitos formados por estos displays lo realiza el propio conversor A/D

mediante el switcheo de los 3 transistores PNP ECG159 que conectan y desconectan lapolarizacin a los displays. Complementan el circuito los capacitores de .22 p,F, el capa-citor C2 sirve de filtro de la seal de entrada y el otro capacitor Cl para el circuito de

integracin propio del conversor A/D, los potencimetros Pl y P2 sirven para ajustar losvalores de cero y la ganacia respectivamente de acuerdo a nuestra conveniencia.

45

I5 I8 \

46

En la parte de anexos se incluye un manual de calibracin de todo el equipo endonde se detalla la forma de calibrar estos circuitos.

2.6.2 FUENTES DE PODER

El equipo cuenta con dos fuentes de poder independientes, una para el circuito decontrol y otra para el circuito de potencia de la bomba de DC.

Una vez determinados los requerimientos de corriente de los distintos circuitos delprototipo, se decidi por dos ruentes de poder tipo Switching distribuidas por la casaJAMECO que cumplen incluso convenientemente sobredimensionadas con losrequerimientos de voltaje y corriente de los circuitos del prototipo. Las caractersticas deestas fuentes se detallan a continuacin.

2.6.2.1 Euente para circuitos de control

Para polarizar los distintos circuitos de control se opt por una fuente de cuatrovoltajes, cuyas caractersticas son:

NMERO DE CATLOGO: PS1400POTENCIA: 50 W a conveccin natural

65 W a 15 CFM aire forzadoVOLTAJE DE ENTRADA: 115/230 VACVOLTAJES DE SALIDA DC: +5V 6A +12V 1A

-5V 0.5A -12V @1ATAMAO: 8" L x 4.5" W x 2.25" H

47

2.6.2.2 Fuente para el circuito de potencia

Para el circuito de potencia se decido por una rente que cumpla con losrequerimientos a plena carga de la bomba de DC del prototipo, las caractersticas de estafuente son:

NMERO DE CATLOGO: PS3050POTENCIA: 73 W a conveccin naturalVOLTAJE DE ENTRADA: 115/230 VAC 40-450 HzVOLTAJES DE SALIDA DC: +5V @5A +12V @4ATAMAO: 6.5" L x 4" W x 1.75" H

Para que que estas fuentes trabajen adecuadamente se recomienda cargar conmnima carga todas sus salidas, esto esta realizado internamente dentro del mdulo decontrol del prototipo, por lo tanto el usuario del equipo no tendr que preocuparse por esta

razn.

CAPITULO IH: DISEO DEL CONTROL

3.1 Control anlogo

3.1.1 Consideraciones previas para el diseo del controlador PID anlogo3.1.2 Modelacin de la planta a compensar3.1.2.1 Funcin de transferencia de la bomba centrfuga

3.1.2.2. Funcin de transferencia del sensor de presin diferencial ms elacondicionamiento de seal

3.1.2.3 Funcin de transferencia del prototipo de tanques acoplados3.1.3 Diseo del controlador PID anlogo3.1.3.1 Sistema de primer orden3.1.3.2 Sistema de segundo orden3.1.3.3 Sistema de tercer orden3.1.4 Circuito implementado para el controlador PID anlogo

3.2 Control digital3.2.1 Software desarrollado para control3.3 Pruebas de simulacin

48

3.1 CONTROL ANLOGO

Como se mencion anteriormente el prototipo para control de nivel de lquidoscuenta con un control anlogo del tipo PED en el mdulo de control, el diseo del con-trolador PID implementado se detalla a continuacin.

3.1.1 CONSIDERACIONES PREVIAS PARA EL DISEO DEL CONTROLADORPID ANLOGO

Para realizar la compensacin de la planta (prototipo de tanques acoplados), es nece-sario primero obtener la funcin de transferencia completa de la planta. En este caso lafuncin de transferencia total estar formada por tres bloques principales (funciones detransferencia individuales) correspondientes a cada uno de los componentes de la planta,y que son:

- Bomba centrfuga- Prototipo de tanques acoplados, y- Sensor de nivel ms acondicionamiento de seal

PLftHTfi COMPLETA

HTRADA

BORBA

ff

TANPROTOTIPO DQUES ACOPLA

*

Bos SENSOR

4 SRL

FIGURA 3,1 DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA PLANTA

Por tal motivo, lo primero que se debe hacer es determinar las funciones detransferencia de cada uno de estos bloques individuales, para luego obtener la funcin detransferencia total del sistema comoleto.

49

3.1.2 MODELACIN DE LA PLANTA A COMPENSAR3.1.2.1 Funcin de transfrerencia de la bomba centrifuga

Considrese la caracterstica esttica de la bomba centrifuga, figura 3.2, obtenidaexperimentalmente, si se linealiza esta curva caracterstica que representa el comporta-miento de la bomba centrfuga de inmersin, en valores cercanos al punto de operacin,se obtiene la siguiente ecuacin que describe el funcionamiento de la misma para dichopunto:

(3.1)donde: qb = Caudal de salida de la bomba centrifuga [ cm3/s ]

Vi - voltaje aplicado a la bomba centrfuga [ v ]1-4, - pendiente de la curva linealizada en torno al punto de operacin, considerado

en la regin de 3 V a 5 V, e igual a:H, = 0.26 [ GPM/V ] = 16.26 [ cm3/V.s ]

CARACTERSTICA ESTTICADE LA BOMBA CEMTRFUGA

2*2

?O iJt '^-r

^ 1.4

3 1 9-3 1*2

vJi '0.6 >

^

/s

S^/

-^

*s

,.

^

^

*^^^^

W'3.O 4.00 &0 e.O 7.00 8.00 9.00 IQ.'OO 1KOO 12OO1 VOLTAJE (V)

FIGURA 3.2 CARACTERSTICA ESTTICA DE LA BOMBA DEINMERSIN.

50

Si se aplica la transformada de Laplace a la ecuacin 3.1 se obtiene la siguiente funcinde transferencia para la bomba centrfuga de inmersin:

=kf,=l6. 26 ( 3 . 2 )

3.1.2.2 Funcin de transferencia del sensor de presin diferencial mas elacondicionamiento de seal

Como se mencion en el captulo 2, en la parte concerniente al sensor de presindiferencial de estado slido, este tipo de sensor se caracteriza por su linealidad en todo elrango de trabajo, este comportamiento lineal tambin se aplica a la tarjeta SCX-EB sobrela cual est montado el sensor, lo que hace que el voltaje de salida de sta tarjeta(acondicionamiento de seal) sea directamente proporcional a la presin aplicada al sensor,que a su vez es directamente proporcional a la altura del lquido dentro del ltimo tanquedel prototipo, por tal motivo, la caracterstica esttica de esta parte de la planta es linealcomo lo muestra la figura 3.3.

CARACTERSTICA ESTTICASENSOR DC MVEL

3 5!. *

sS***/*

-S^y /*

*s^

-Ss* ^

0.00 3.00 10.00 15.00 20.00 13,00 30,00 35,00 4040ALTURA (

51

La funcin que describe el comportamiento del sensor ms su acondicionamiento de seales la siguiente:

V0ks*h( 3 . 3 )

donde: v0= voltaje de salida de la tarjeta de acondicionamiento de seal [ V ]k,- pendiente de la linea = 0.25 [ V/cm ]h= altura del lquido en el ltimo tanque del prototipo

Aplicando la transformada de Laplace a la ecuacin 3.3 se obtiene la siguientefuncin de transferencia para el sistema del sensor ms el acondicionamiento de seal:

=0 .25 ( 3 . 4 )

3.1.2,3 Funcin de transferencia del prototipo de tanques acoplados

En el captulo n ( numeral 2.1), se realiz la modelacin del prototipo de tanquesacoplados, incluyendo las vlvulas de control de flujo que intercomunican a los tanques delprototipo, por lo tanto, en esta parte se utilizaran las funciones de transferencia encontradaspara los sistemas de primero, segundo, y tercer orden deducidas en dicho numeral.

La funcin de tranferencia total de la planta a compensar estar formada por lastres funciones de transferencia obtenidas para cada uno de los componentes de la planta:bomba centrfuga, prototipo de tanques acoplados; y, por ltimo, el sensor de nivel mssu acondicionamiento de seal. Aplicando las reglas del lgebra de diagramas de bloquesal diagrama de bloques de la planta (figura 3.1), la funcin de transferencia que respresentaa la planta en conjunto estar dada por:

GPT(s)=Gb(s)*Gp(s)*Ga(s)( 3 . 5 )

donde: 0^-= funcin de tranferencia de la planta totalGb= funcin de transferencia de la bomba centrfuga

52

GP^ funcin de transferencia del prototipo de tanques acopladosGs= funcin de transferencia del sensor de nivel ms su acondi-

cionamiento de seal

3.13 DISEO DEL CONTROLADOR PID ANLOGO

A continuacin se detalla el diseo de las constantes del controador PID, para cadauno de los sistemas con los que puede trabajar el prototipo de acuerdo al orden del mismo,a fin de poder dimensionar adecuadamente los valores de los elementos del circuito delconpensador PID a implementar.

3.1.3.1 Sistema de primer orden

Reemplazando los valores de las constantes lq y k^ en la ecuacin 2.6 querepresenta la funcin de transferencia para el sistema de primer orden, un solo tanque, seobtiene la siguiente expresin :

- - =0. 22402.AJH1 2*144

A 144 =0.0069

C - - Q-OQ69Q(s] $+*! s +0.2240

Entonces la funcin de transferencia de la planta total ( ecuacin 3.5) estar dada por:

16. 26 *0. 0069 *0. 25 0. 0280,S) s+Q. 2240 5+0.2240 (3 .6 )

53

Si se considera para este sistema de primer orden, un controlador del tipo PI cuya funcin

de transferencia es:

( 3 _ 7 )

la funcin de transferencia total GT ( planta ms compensador) estar dada por :

O.Q280G f - x . . ts+0 .2240 ( 3 . 8 )

Aplicando la tcnica de cancelacin de polos y ceros, y colocando el polo de lazo cerrado

en -0.2 (consideracin que se comenta en el numeral 4.2), se obtienen los siguientes valorespara las constantes kp y ki':

s +ki '=s + O . 2 2 4 O =&i 7- O . 2 2 4 Oi

/'cp + O . 0280 =0.2^p=7. 143

kHd'*kp-1.6

3.1.3.2 Sistema de segundo orden

Reemplazando los valores de las constantes k:, k2>J y k3 en la funcin de

transferencia obtenida para el sistema de segundo orden, ecuacin 2.13 se obtiene la

siguiente expresin para el sistema de segundo orden:

KV 258 =0 .6334

A 144

54

2. A H2 2*144=0. 2240

fs) =^*> - -* -* -- - 044. 1419

Entonces, la funcin de transferencia total de la planta (ecuacin 3.5) estar dada por:

v 0. 0179,y +1.4908 *s+0. 1419 ( 3 - 9 )

Si se considera para este sistema de segundo orden un controlador del tipo PID cuya

funcin de transferencia es:

=kp

La funcin de transferencia total de la planta mas el compensador estar dada por:

0.0179(3.11)

0.14191.4908 ~ " 1.4908

Aplicando la tcnica de cancelacin de polos y ceros, y colocando el polo de lazo cerradoen -0.2, se obtuvieron los siguientes valores para kp, kd y ki:

55

0^.^=0.2^=16.657

ki=0.0952*16.65=1.5851kd=0.6708*16.65=11.17

3.1,3.3 Sistema de tercer orden

Si se reemplazan los valores de k1; k2) k3 y l^ en la ecuacin 2. 18 que representa a alsistema de tercer orden, se obtiene la siguiente expresin:

0 _ = 0. 0025Q(s) 53+2.6364 *s2 + 1.4996 *s+0. 0859 (3 .12)

entonces, la funcin de transferencia total para la planta completa ( ecuacin 3.5) ser:G 0.0102

7 S s 3 +2 .6364*S 2 +1,4996*5+0.0859 (3.13)

Si se considera un controlador del tipo PID cuva funcin de transferencia esta dada por laecuacin 3.12, la funcin de transferencia total del sistema de la planta ms el controladorestar dada por:

(3.14)0.0102

Jcd'*s2+s+*' . 0.7849

L.

Aplicando la tcnica de cancelacin de polos y ceros, ^colocando los polos remanentesen -0.15y -1.7, y aplicando la condicin de mdulo se obtienen los siguientes valores para

kp,kd,y M:kp=20

ki'=0.0591; ki=l.l82kd'-1.2740; kd-25.4

57

Cabe mencionar, que por la naturaleza del circuito que se utiliza, el valor mximoexperimental de saturacin del circuito del PID es de 8 V, por tal motivo y para lograr queel valor mximo de la seal de salida del circuito del PID sea de 10 V, la etapa sumadorade los trminos del PID debe amplificar este valor a 10 V, esto se logra mediante laresistencia R5 que da una ganacia de 1.2 a la seal proveniente del PID. Esta amplificacinen la seal de salida es necesaria por cuanto el DRTVER de la BOMBA de DC trabaja convoltajes estandarizados entre O y 10 V.

Adems si se estudia la caracterstica esttica de la BOMBA DC se observaclaramente que est empieza a trabajar adecuadamente (es decir logra empujar agua desdeel reservorio ) a partir de los 3 V de polarizacin, de tal manera que esta amplificacinayuda a tener un mejor control sobre el caudal de la bomba cuando la seal de control delPID es mnima.

Esta etapa de amplificacin puede ser alterada accionando el interruptor S4 que seencuentra en la parte posterior del mdulo de control, cuando en interruptor S4 se cierrala resistencia R6 entra en paralelo con la resistecia R5, logrando de esta manera que laganancia total de esta etapa disminuya a un valor de 0.4, esto es til para poder alterar lasganancia de la planta para consideraciones didcticas. El amplificador operacional U1D seenplea como etapa de desacople para enviar la seal del sensor de nivel a la tarjeta deadquisicin de datos, para realizar el control digital.

3.2 CONTROL DIGITAL

La seal de control en este caso, proviene de una tarjeta de adquisicin y salida dedatos que esta conectada a un computador digital. A esta tarjeta tambin ingresa la sealdel sensor de nivel (voltaje estandarizado entre O ylO V) que previamente y por seguridadpasa por una etapa de desacople, esta seal de voltaje es digitalizada en la tarjeta y su valores almacenado dentro del computador para realizar las operaciones de control. En elcomputador digital se fija el nivel de referencia, los algoritmos de control se realizan porSOFTWARE y la seal de control sale a travs de la tarjeta que convierte su valor digitalen analgico ( voltaie entre O y 10 V) hacia el DRTVER de la bomba de.

ve

<

100

. bD

110

V

VC

C=

12 V

OC

en

59

La tarjeta que se utiliza es la tarjeta DAS-128 p) que esta acopiada al computadorexistente en el laboratorio de control. Esta tarjeta es manejada desde el computadormediante el programa para control digital directo (4) que se utiliza en prcticas dentro delmismo laboratorio.

La idea de la presente tesis es completar este programa, dndole la posibilidad detrabajar con un sistema real, en este caso el prototipo para control de nivel de lquidos, portal motivo se utilizan los algoritmos de control y las subrutinas de control ya desarrolladasen dicho programa.

En el mdulo de control, se encuentran disponibles los terminales tanto de salidacomo de entrada para conectarse a esta tarjeta a fin de realizar el control de manera digital.La seal de control se encamina al DRIVER de la bomba DC, mediante la seleccinadecuada del tipo de control en el panel de control. La seal proveniente del sensor denivel est siempre disponible en los terminales de salida y puede ser utilizada por otrosinstrumentos como registrador de papel, oscilse opio, etc

3.2.1 SOFTWARE DESARROLLADO PARA CONTROL

Como se mencion anteriormente, el software desarrollado para realizar el controlde manera digital, utiliza las subrutinas y algoritmos de control implementadas en elprograma de control digital directo CCD, dichas subrutinas trabajan con seales de voltajede O a 10 V pero las procesa como valores de voltaje tanto a la entrada como a la salida,en este caso se trabaja tambin con seales de voltaje de O a 10 V pero se las procesacomo valores de altura para la entrada y voltaje para la salida que maneja al driver, laconversin de voltaje a altura se realiza por software dentro del programa, esta es una delas variaciones realizadas a las subrutinas originales.

O) Cevallos K, "Diseno y construccin de una tarjeta de adquisicin de datos paracomputadores personales", Tesis de grado, 1993, E.P.N.(4) Fustillos P., "Algoritmos para control digital directo", Tesis de grado, 1994, E.P.N.

60

Se crearon dos subrutinas adicionales que permiten granear dos tipos de grficosde respuesta para la aplicacin de control de nivel de lquidos: la primera (figura 3.5)permite observar en la pantalla del computador nicamente la respuesta en el tiempo delsistema (variacin de altura), as como tambin la seal de control (voltaje de salida aldriver), la otra pantalla (firgura 3.6) permute adems de lo anterior mirar un grficorepresentativo del tanque en el cual se observa como vara el nivel del lquido dentro deltanque. El tipo de grfico que se mostrar en.pantalla se escoge en el submen de opcionesdentro del programa principal.

Sctel

+O.M

61

de sd1 ida: 3.36B8 ScUal de error: 8,0332 Sefat rio control: -.588SCNTOL DK NIVEL P!D

FIGURA 3.6 GRFICO COMBINADO EN PANTALLA

3.4 PRUEBAS DE SIMULACIN

En base a las funciones de transferencia obtenidas en la modelacin de la plantarealizada en el numeral 3.1, se procede a realizar la simulacin de las mismas, tanto parael sistema sin compensar como para el compensado, utilizando el programa CADCONTROL obtenindose los siguientes grficos:

62

FIG. 3.7 RESPUESTA EN LAZO CERRADO A UNAENTRADA PASO UNITARIO PARA EL SISTEMA DEPRIMER ORDEN SIN COMPENSAR

Para la figura 3.7 se tiene: Mp-0 %\6 seg.; Ep=S8.9 %

1 118 28 48 58 6 78

FIGURA 3'. 8 RESPUESTA EN LAZO CERRADO A UNAENTRADA PASO UNITARIO PARA EL SISTEMA DEPRIMER ORDEN COMPENSADO

Para la figura 3.8 se tiene: Mp=0 %; Ts=19.5 seg.; Ep=0 %

63

10 28 30 48 58 68

FIGURA 3.9 RESPUESTA EN LAZO CERRADO A UNAENTRADA PASO UNITARIO PARA EL SISTEMA DESEGUNDO ORDEN SIN COMPENSAR

Para la figura 3.9 se tiene: Mp-0 %; Ts=36.7 seg.; Ep=97 %

FIGURA 3.10 RESPUESTA EN LAZO CERRADO A UNAENTRADA PASO UNITARIO PARA EL SISTEMA DESEGUNDO ORDEN COMPENSADO

Para la figura 3.10 se tiene: Mp=0 %; Ts=80 seg.; Ep=0 %

64

FIGURA 3.11 RESPUESTA EN LAZO CERRADO A UNAENTRADA PASO UNITARIO PARA EL SISTEMA DETERCER ORDEN SIN COMPENSAR

Para la figura 3.11 se tiene: Mp=0 %; Ts=62.4 seg.; Ep=97 %

FIGURA 3.12 RESPUESTA EN LAZO CERRADO A UNAENTRADA PASO UNITARIO PARA EL SISTEMA DETERCER ORDEN COMPENSADO

Para la figura 3.12 se tiene: Mp=0 %; Ts=H2.2 seg.; Ep=0 %

65

FIGURA 3.11 RESPUESTA EN LAZO CERRADO A UNAENTRADA PASO UNITARIO PARA EL SISTEMA DETERCER ORDEN SIN COMPENSAR

Para la figura 3.11 se tiene: Mp=0 %; Ts=62.4 seg.; Ep=97 %

FIGURA 3.12 RESPUESTA EN LAZO CERRADO A UNAENTRADA PASO UNITARIO PARA EL SISTEMA DETFJRCER ORDEN COMPENSADO

Para la figura 3.12 se tiene: Mp=0 %; Ts-112.2 seg.; Ep=0 %

CAPITULO IV: RESULTADOS Y CONCLUSIONES

4.1 Resultados experimentales4.1.1 Control manual4.1.2 Comprobacin del funcionamiento del driver de de y de la bomba de

inmersin4.1.3 Comprobacin de los interruptores de nivel4.1.4 Control de nivel en forma manual4.1.5 Pruebas de funcionamiento y calibracin del sensor de nivel4.2 Control anlogo4.2.1 Sistema de primer orden4.2.2 Sistema de segundo orden4.2.3 Sistema de tercer orden4.3 Control digital4.3.1 Control digital utilizando el equipo KETHLEY 500A

4.4 Conclusiones4.5 Recomendaciones

66

4.1 RESULTADOS EXPERIMENTALES

Una vez construido el prototipo de control de nivel de lquidos y el mdulo decontrol se procedi a realizar las siguientes pruebas experimentales para comprobar elcorrecto funcionamiento del equipo. Los resultados que acontinuacin se muestran son elfiel reflejo de las caractersticas del equipo.

Cabe mencionar en este punto, que el funciomamiento individual de cada una delas tarjetas que conforman el modulo de control, se realiz por separado de maneraindependiente, cada tarjeta fue probada y comprobada de manera satisfactoria, antes deensamblar el mdulo en conjunto. En el manual de operacin del equipo, que se induje enla parte de anexos, se detalla la manera de probar y calibrar cada una de estas tarjetas. Estaacotacin es vlida, pues el mdulo de control fue construido y concebido de maneramodular, cada tarjeta es un mdulo independiente que realiza una funcin determinada yespecfica, el sistema fue diseado as, pues esto facilita la tarea de calibracin ymantenimiento o reparacin, pues en caso de que algo suceda solamente ser necesariodesmontar la tarjeta que presente fallas para su reparacin , sin necesidad de desmontarel resto del equipo.

4.1.1 CONTROL MANUAL

Los resultados experimentales se cimentan a tres tipos de pruebas: del prototipo, delcontrol anlogo y del control digital. En esta seccin se detallan los tipos de prubas delbuen funcionamiento del prototipo.

4.1.2 Comprobacin del funcionamiento del drlver de DC y de la bomba de inmersin

Para esto, se coloca el selector de tipo de control en la posicin de manual, y seprocede al variar la posicin de la perrilla de MANUAL BOMBA , se observa queefectivamente la velocidad de la BOMBA DE INMERSIN varia y por lo tanto el caudaldel flujo de entrada tambin varia de acuerdo a la posicin de la perrilla de control manual

67

de la bomba de inmersin. Esto adems nos indica que el funciomaniento del DRIVER DEDC es adecuado, pues el potencimetro de perrilla que se varia para realizar esta prueba,no acta directamente sobre la bomba sirio que lo hace sobre el DRIVER DE DC.

4.1.3 Comprobacin de los Interruptores de nivel

Utilizando la perilla de control manual en la posicin mxima, se procede a llenarcada uno de los tanques de manera individual hasta que la accin de la bomba seainterumpida por la accin del respectivo switch de nivel, si la vlvula de desfogue deltanque en el que se realiza la prueba se encuentra abierta esta accin ser intermitente, esdecir, la bomba funcionar y llenar el tanque hasta el nivel mximo, cuando el switch denivel acta la bomba deja de funcionar, y el nivel enmpezar a descender , pues el aguafluje por la respectiva vlvula que se encuentra abierta, hasta el punto en que el switch denivel deja de actuar, la bomba en ese instante vuelve a funcionar enviando agua al tanquedesde el reservorio, el nivel del agua asciende en el tanque hasta que el switch de nivelacta y para la accin de la bomba y asi sucesivamente hasta que esta accin sea detenidaya sea cambiando la posicin del selector a la posicin O o colocando la perrilla en otraposicin en la ingrese menor caudal al tanque.

4.1.4 Control de nivel en forma manual

Se puede llegar a un nivel deseado y mantener este nivel en forma manual, esto seconsige variando la perilla de MANUAL BOMBA hasta llegar al nivel deseado y luegovariando nuevamente esta perrilla hasta conseguir que el caudal de entrada al tanque seaaproximadamente igual al caudal de salida del tanque a travs de la vlvula de control deflujo.

4.1.5 Pruebas de funcionamiento y calibracin del sensor de nivel

68

Utilizando el control manual , y con las vlvulas del ltimo tanque del prototipototalmente cerradas se va llenando poco a poco el tanque con agua, y comprovando que el

nivel va ascenciendo en el indicador del nivel real, el nivel que se muestra en el displayde nivel real debe ser similar al que va alcanzando el lquido en el tanque donde se realizala medicin. Para realizar la calibracin del sensor el control manual es til, pues se puede

mediante la utilizacin de esta opcin llevar el agua a un nivel de calibracin deseado yproceder a calibrar el sensor tal como se indica en el manual de operacin del equipo quese incluye en la seccin de anexos.

4.2 CONTROL ANLOGO

De las pruebas realizadas con el control anlogo se puede apreciar que no es posiblereducir los tiempos de establecimiento, simplemente ubicando los polos del sistema

compensado adecuadamente en el semiplano izquierdo, fundamentalmente por la limitacindel caudal de la bomba. Cuando se produce el llenado del tanque o cuando existe uncambio en la referencia (aumenta la altura de referencia) la bomba se satura y entrega sucaudal mximo, manteniendo esta situacin hasta cuando la altura del nivel real llega cercadel nivel de referencia en la cual el sistema se comporta en forma lineal (no existesaturacin) y el control acta en forma normal en base a los parmetros prefijados.

Un problema similar se tiene cuando se produce un cambio en la referencia que

disminuye el nivel del tanque, tambin se tiene el comportamiento no lineal, pues la bombadeja de trabajar, y el tiempo de establecimiento va ha estar dado por el caudal de salida atravs de la vlvula.

Por esta razn en el diseo de los parmetros del control PID (numeral 3.1.3) setrabaja con una localizacin de polos cercano al origen, tpicamente -0.2, ya que porlimitacin de la bomba y vlvula no se puede acelerar el tiempo de establecimiento.

69

As mismo, se trabaja con ganacias bajas, ya que el control funciona con un voltajede la bomba entre 3 y 5 V en el rango lineal y al triplicar la ganada ya se producesaturacin de la bomba. Adicionalmente cabe sealar que la vlvula debe estar totalmenteabierta (para el sistema de primer orden).

Estas limitaciones de bomba y vlvula no afectan al funcionamiento del sistema deprimer orden, por lo que este control es satisfactorio, claro esta que si se manejara unmayor rango de caudales en la bomba y en la vlvula se podra acelerar el tiempo derespuesta.

Las limitaciones sealadas si inciden en el control del sistema de segundo orden.Aqui adicionalmente se tiene el efecto de la vlvula entre los dos tanques que tiene

similares caractersticas a la vlvula de desfoge, ademas el efecto de no sensar la altura en

el tanque No.2 no permite un adecuado control. Este hecho es definitivamente exagerado

en el sistema de tercer orden.

4.2.1 Sistema de primer orden

Para realizar el control sobre un sistema de primer orden, se utliza nicamente unsolo tanque del prototipo, en este caso el ltimo tanque del prototipo (tanque No. 3) quees en donde se realiza la medicin del nivel del lquido.

Las condiciones en que se realiz esta prueba son las siguientes:

- La vlvula de desfoge se encuentra totalmente abierta

- El control se realiz a 16 cm- Se realiza un control del tipo PI- Se varia las constantes kp y ki hasta conseguir resultados satisfactorios, partiendo de los

valores de diseo. Los valores de kp y ki' que logran compensar el sistema para para

mantener el nivel a 16 cm son:kp= 5.89ki' = 0.20

70

Para obtener los grficos de respuesta del sistema, se utiliz un registrador de papel quefue conectado al equipo.

Las pruebas de perturbacin realizadas para el sistema de primer orden, una vez enequilibrio, y sus respectivos resultados se muestran en la tabla 4.1.

PERTURBACIN

de 16 cm a 18 cm

de 16 cm a 20 cm

de 16 cm a 26 cm

Mp%

0

0

0

Tsseg.

10

12

35

Ep

% -

0.5

0.5

0.77

1

(----

m rt n::

v=:rt

FIGURA 4.1 RESPUESTA DEL SISTEMA DE PRIMERORDEN PERTURBACIN DE 16 a 18 cm

71

FIGURA 4.2 SEAL DE CONTROL PARA EL SISTEMA DE PRIMER ORDEN

72

FIGURA 4.3 RESPUESTA DEL SISTEMA DE PRIMER ORDENPERTURBACIN DE 16 a 20 cm

En la figura 4.1 se muestra la respuesta en el tiempo para la perturbacin de 16 a18 cm, en tanto que la figura 4.2 muestra la seal de control para dicha perturbacin. Puedeobservarse claramente como la seal de control decrece conforme el error va disminuyendo.

Las figuras 4.3 y 4.4 muestran la respuesta en el tiempo para las perturbaciones de16 a 20 cm y 16 a 26 cm respectivamente, en estas figuras se incluye tambin laperturbacin contraria de 20 a 16 cm y 26 a 16 cm respectivamente.

73

120 75

TI

GO .'5

-4

15:. i.

h(crn

.1.G

32;

::!-::::(

FIGURA 4.4 RESPUESTA DEL SISTEMA DE PRIMER ORDENPERTURBACIN DE 16 a 26 cm

4.2.2 Sistema de segundo orden

Para realizar las pruebas sobre un sistema de segundo orden, se utilizan dos de lostres tanques del prototipo (tanques No.2 Y No.3); las condiciones en que se realiz estaprueba fueron las siguientes:

- La vlvula de desfoge del tanque No. 3 se encuentra cerrada dos y media vueltas y lavlvula que intercomunica los tanques No. 2 y No. 3 se encuentra totalmente abierta.

- El control se realiz a 16 cm- Se realiza un control del tipo PI

74

- Las constantes kp y ki" son :

kp- 5.89ki' - 0.20

Para el sistema de segundo orden, se realiz una perturbacin de 16 a 18 crn, lafigura 4.5 muestra la seal de respuesta del sistema para dicha perturbacin. Eu la figura4.6 se muestra la seal de control para dicha perturbacin, los resultados obtenidosen estaprueba son los siguientes:

Mp- 13.33%

Ts= 360 seg.Ep= 2.2%

4.2.3 Sistema de tercer orden

Para realizar las pruebas sobre un sistema de tercer orden, se utilizan los trestanques del prototipo, las condiciones en que se realiz esta prueba fueron las siguientes:

- La vlvula de desfoge del tanque No. 3 se encuentra cerrada dos y media vueltas y lasvlvulas que intercomunican los tanques No. 1, No. 2 y No. 3 se encuentran totalmente

abiertas.- El control se realiz a 16 cm- Se realiza un control del tipo PI

- Las constantes kp y ki' son :

kp= 5.89ki' 0.20

75

Para el sistema de tercer orden, se realiz una perturbacin de 16 a 17 cm, la figura4.7 muestra la seal de respuesta del sistema para dicha perturbacin, los resultadosobtenidos son los siguientes:

Mp= 13 %Ts= 20 minutosEp- 6 %

4.3 CONTROL DIGITAL

Para realizar el control digital del prototipo, se conecta el mulo de control a latarjeta de adquisin de datos DAS-128. Una vez dentro del programa de CONTROLDIGITAL DIRECTO, se ingresa al men de OTROS y dentro de este se selecciona laopcin de TANQUE, luego se escoge la opcin de PID ARCHIVO y se procede a ingresarlos parmetros de las constantes del controlado! PID.

Utilizando la opcin de control digital se realizaron las siguientes pruebas para un

sistema de primer orden:

Prueba Pl:

La figura 4.8 muestra la respuesta del sistema de primer orden para una perturbacin bajolas siguientes condiciones:

- Parmetros utilizados : Resultados:Ti= 300 ms (Perodo de muestro) Mp=3.7 %kp= 20 Ts= 7.8 seg.ki= 2 Ep= 1.9 %Perturbacin: de 16 a 18 cm

76

2018

U"' 12

2"< 6

2

10 15

SALJOA (em) - CONTROL (V)

20 25

FIGURA 4.8 RESPUESTA Y CONTROL PARA EL SISTEMA DE ler.ORDENPERTURBACIN DE 16 a 18 cm'

Prueba P2:

La figura 4.9 muestra la respuesta del sistema de primer orden para una perturbacin bajolas siguientes condiciones:

- Parmetros utilizados:ti= 300 ms (Perodo de muestreo)kp= 35

ki=2

Perturbacin: de 16 a 18 cm

Resultados:

Mp= O %Ts= 15 seg.Ep= 1.94 %

77

25

20'

15

38

\:

10 15 20

SALJOA (cm) COKTROL (V)

25

FIGURA 4.9 RESPUESTA Y CONTROL PARA EL SISTEMA DE ler. ORDENPERTURBACIN DE 16 a 18 cm

Prueba P3:

La figura 4.10 muestra la respuesta del sistema de primer orden para una perturbacin bajolas siguientes condiciones:

- Parmetros utilizados:ti= 300 ms (Perodo de muestreo)kp=35ki=2

Perturbacin: de 16 a 24 cm

Resultados:Mp= 15.67 %Ts= 59.1 seg.Ep= 1.96 %

-1010 20 30 40 SO 60 70 80 90 100

SALO* (cm) COKTROt (V)

FIGURA 4.10 RESPUESTA Y CONTROL PARA EL SISTEMA DE ler. ORDENPERTURBACIN DE 16 a 24 cm

Prueba P4:

La figura 4.11 muestra la respuesta del sistema de primer orden para una perturbacin bajolas siguientes condiciones:

- Parmetros utilizados:

ti= 50 ms (Perodo de muestreo)kp= 50

ki=4

Perturbacin: de 16 a 18 cm

Resultados:

Mp= O %

Ts= 3 seg.

Ep= 1.9 %

79

10 20 30 40 50 60

SALDA (cm) CONTROL (V)

70

FIGURA 4.11 RESPUESTA Y CONTROL PARA EL SISTEMA DE ler. ORDENPERTURBACIN DE 16 a 18 cm

Prueba P5:

La figura 4.12 muestra la respuesta del sistema de primer orden para una perturbacin bajolas siguientes condiciones:

- Parmetros utilizados:ti= 50 ms (Perodo de muestreo)kp-30ki=4Perturbacin: de 16 a 20 cm

Resultados:Mp= 9 %Ts= 22 seg.Ep=2 %

80

20 30 40TBtf>0(Mg.)

SALDA (om) COMTHOL (V)

FIGURA 4.12 RESPUESTA Y CONTROL PARA EL SISTEMA DE ler. ORDENPERTURBACIN DE 16 a 20 cm

4.3.1 CONTROL DIGITAL UTILIZANDO EL EQUIPO KEITHLEY 500A

El control digital con el prototipo tambin fue probado satisfactoriamente sobre unsistema de primer orden con el equipo de adquisicin y salida de datos KEITHLEY 500Adisponible en el laboratorio, para lo cual se utilizaron las subrutinas del programa desimulacin para control digital directo(5), los resultados obtenidos en las pruebas realizadasse muestran a continuacin:

Prueba Kl:

La figura 4.13 muestra la respuesta del sistema de primer orden para una perturbacin bajolas siguientes condiciones:

- Parmetros utilizados:

ti- 200 ms (Perodo de muestreo)kp 10ki-2

Perturbacin: de 8 a 16 cm

Resultados:

Mp= 8.73 %

Ts= 205 seg.

Ep= 2 %

100 200 300TEMPO

400 500 600

COHTROL () SALDA (cm)

FIGURA 4.13 RESPUESTA Y CONTROL PARA EL SISTEMA DE ler. ORDENPERTURBACIN DE 8 a 16 cm

82

Prueba K2:

La figura 4.14 muestra la respuesta del sistema de primer orden para una perturbacin bajolas siguientes condiciones:

- pti=

kp

ki-Pe

armetros utilizados:

200 ms (Perodo de= 10

- 2

rturbacin: de 16 a 20

9

2 75 6

a 4-

1

Ii

Resultados:muestreo) Mp= 5.2 %

Ts= 140 seg.Ep= 1.6 %

cm

, *l il 1 -

S \ i *1

:::::::^^*

0 100 200 300 400

~~ COMTROt () SALDA (om)

500 600

FIGURA 4.14 RESPUESTA Y CONTROL PARA EL SISTEMA DE ler. ORDENPERTURBACIN DE 16 a 20 cm

83

4.4 CONCLUSIONES

El prototipo y el mdulo de control construidos satisfacen los objetivos propuestos.en el plan de tesis.

El prototipo y el mdulo de control han sido probados extensamente, tanto en suoperacin manual como en el control automtico analgico y digital, con resultados

satisfactorios. Es de muy fcil uso y calibracin, objetivo que tambin estaba contempladoen el plan de tesis para su uso en el laboratorio. De hecho este equipo ha sido utilizado yser utilizado en prcticas de control automtico.

El control de un sistema de primer orden entrega resultados totalmente satisfacto-rios, es rpido, tiene un error admisible y responde muy bien a perturbaciones. En el caso

del control para un sistema de segundo orden, el control es bueno, pero existe un errordebido a que no se mide el nivel en el segundo tanque. En el caso de un sistema de tercer

orden, se llega a controlar el sistema pero en este caso el control es pobre, pues no sepuede manejar el caudal de las vlvulas de control de flujo para mejorar el control; porestas razones, es preferible para su uso como prototipo de laboratorio, realizar el controlsobre un solo tanque, es decir como un sistema de primer orden. Para fines didcticos sepuede utilizar el control sobre dos tanques.

En cuanto al sensor utilizado, ste es bastante bueno y su acondicionamiento deseal fcil de calibrar. Existe un problema con la repetitibilidad de los experimentos debidoa las variaciones en la lectura del sensor, pero esto es debido a agentes externos como sonla posicin del tubo de vidrio introducido en el tanque de sensado y el acople con lamanguera de plstico que comunica la seal de presin hacia el sensor, y esto es debidoa la manipulacin que tienen estas partes tanto para montar como para desmontar el equipo.

Los distintos cicuitos que conforman el mdulo de control en s, se hallanconfigurados en tarjetas individuales, haciendo de esta manera un equipo modular, quehace fcil identificar y manipular individualmente a cada uno de estos circuitos, esto es unagran ventaja para fines de mantenimiento y calibracin del equipo.

84

En cuanto al control digital, este presenta la ventaja de que las contantes delcompensador PE) pueden ser modificadas fcilmente y no estn limitadas a un rango devariacin restringido, esto es vastante til en laboratorio para fines didcticos. La respuestadel sistema utilizando el control digital es aceptable, aunque esta limitada a sistemas de

primer orden, pues con sistemas de segundo y tercer orden este tipo de control es pobre,debido especialmente a la saturacin de la seal de control. De las pruebas realizadas se

deduce que el control digital mejora conforme el perodo de muestreo es menor, sinembargo el mnimo valor del perodo de muestreo esta limitado a la velocidad de barridodel programa en el computador digital.

El sistema de control implementado en este prototipo, puede ser trasladado a unsistema real a gran escala, el principio de control se mantiene y lo nico que debera

cambiarse es el rango de trabajo del sensor y la potencia del driver que maneja la bomba.

4.5 RECOMENDACIONES

La respuesta del prototipo puede mejorarse si se incorpora al sistema una bombade inmersin de mayor caudal, para que el tanque se llene ms rpido.

Para mejorar la respuesta de los sistemas de segundo y tercer orden el caudal de lasvlvulas de acoplamiento debe ser mayor para que la transferencia de fluido desde el o los

tanques de almacenamiento al tanque de sensado sea ms rpida. Adicionalmente se puedeconvertir al sistema en multivariable sensando el nivel tambin en los otros tanques, lo quemejorara ostensiblemente la respuesta de los sistemas de segundo y tercer orden, pues elcontrol de nivel ya no sera nicamente en el ltimo tanque.

Tambin puede mejorarse la respuesta del sitema si se realiza control sobre lasvlvulas, para ello son necesarias vlvulas de control de flujo tipo solenoide para abrir ycerrar las vlvulas de acuerdo a la necesidad.

En cuanto al control digital es recomendable trabajar con una tarjeta de mayornmero de bits ( 12 o ms) para evitar prdida de resolucin.

BIBLIOGRAFA

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- Bennet B. , "PRACTICAL CONTROL EXERCISES", U.MJ.S.T. , Manchester-Inglaterra 1979

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- National Semiconductors ,'XINEAR HANDBOOK", USA 1982

- Ogata KatsutdJco, "INGENIERA DE CONTROL MODERNO", 2da. Edicin, PretinceHaU, Mxico 1993

- Alkon Corporation, "JN LINE FLOW CONTROLS, NEEDLE & CHECK VALVESCATALOG", USA 1992

- Gustillos P. , "ALGORITMOS PARA CONTROL DIGITAL DIRECTO", Tesis degrado, E.P.N. 1994

- Garzn J. , "DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN CONTROL ANLOGO YDIGITAL DE NIVEL DE LQUIDOS EN TANQUES ACOPLADOS", Tesis de grado,E.P.N. 1990

- Salgado K, "SIMULADOR PARA MEDICIN DE NIVEL DE LQUIDOS", Tesisde grado, E.P.N. 1987

- Cevallos R, "DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA TARJETA DE ADQUISICINDE DATOS PARA COMPUTADORES PERSONALES", Tesis de grado, E.P.N. 1993

ANEXOS

A Manual de usuario del equipoB Manual de calibracin del equipoC Manual de ususario del programa de controlD Fotografas del equipo en operacinE Copias de las especificaciones de los componentes utilizadosF Listado del programa de las subrutnas para control de nivel de lquidos

A. MANUAL DE USUARIO DEL EQUIPOA.l DESCRIPCIOS DEL EQUIPO

El equipo de control de nivel de lquidos est constituido por dos submdulosprincipales: el prototipo de tanques acoplados y el mdulo de control.

El prototipo de tanques acoplados a su vez est formado por los tres tanquesacoplados principales construidos de material acrlico transparente (PLEXY-GLASS) de 4mm. En esta estructura de tanques acoplados es en donde se va a realizar el control del

nivel de agua en el ultimo tanque, por lo tanto es en el ltimo tanque del prototipo endonde se encuentra localizada la zonda de vidrio que transmite la presin del fondo del

tanque al sensor de presin diferencial que esta localizado en el mdulo de control. Elacople entre el tubo de vidrio ubicado en el ltimo tanque del prototipo y el sensor depresin diferencial se realiza mediante una manguera de plstico de fcil manejo ymanipulacin. La parte frontal de cada uno de los tanques est graduada de manera depoder fcilmente mirar el nivel que va alcanzando el agua en cada uno de los tanques.

En la parte superior de cada uno de los tanques que conforman el prototipo decontrol de nivel de lquidos, se encuentra localizado un interruptor de nivel mximo, lafuncin de estos interruptores de nivel es evitar que el agua se derrame en el prototipo

cuando el nivel del agua supera un cierto nivel mximo.

Esta estructura principal descansa sobre un soporte rectngula^ tambin hecha del

mismo material, con refuerzos angulares de acero inoxidable. La funcin de este soporte

es elevar a la estructura principal de la cubeta reservorio a un nivel adecuado de trabajo,a fin de que se pueda tener un fcil acceso a las perillas de graduacin de cada una de lasvlvulas de control de flujo con que cuenta la estructura principal.

Esta estructura completa, (soporte ms tanques acoplados) descansa sobre elreservorio o cubeta que es en donde se almacena toda el agua que ser bombeada por labomba de inmersin, que tambin esta alojada en su interior, hacia la estructura de tanquesacoplados. Este reservorio tiene dos sealizaciones de nivel mximo y mnimo, adems

posee una vlvula de desfoge de agua de Vz" que servir para vaciar el reservorio cuando

no se vaya a utilizar al prototipo.

El mdulo de control es la parte principal del equipo pues aqu se encuentra toda lacircuiteria que controla al prototipo. En la parte frontal superior exterior del mdulo seencuentran los circuitos de sealizacin tanto del nivel de referencia, al que se quiere llegary que es utilizado por el control analgico, como tambin el circuito de sealizacin delnivel real sensado en el ltimo tanque del prototipo. Tambin se encuentran en esta tapafrontal los potencimetros de perilla que permiten fijar los parmetros de las constantes delcontrol PID analgico, as como tambin los terminales de coneccin del sensor de presindiferencial con el que cuenta el equipo.

En la parte interior del mdulo de control se encuentran distribuidas todas lastarjetas de los distintos circuitos electrnicos que conforman al equipo, incluyendo lasfuentes de poder, un ventilador de 12 VDC es utlizado para refrigerar dichos circuitos. Laentrada de alimentacin de voltaje de la red normal (110 VAQ al mdulo de control, estprotegida contra picos de corriente e interferencias de ruido mediante un filtro de lnea enel cual se enchufa el cable de poder del equipo, esto garantiza una buena estabilidad en loscircuitos de control del prototipo.

En la parte lateral exterior del mdulo de control, se encuentran localizadas lasborneras terminales de la bomba de inmersin, en la parte exterior posterior yconvenientemente identificados, se encuentran todos los terminales para las distintasconecciones exteriores del modulo de control.

A.2 MONTAJE DEL EQUIPO

Para utilizar el equipo, hay que montarlo adecuadamente , para ello se recomiendaprimero colocar los dos mdulos cerca uno del otro, en el lugar donde va a trabajar elequipo, luego extraer los cables de coneccin del prototipo de tanques acoplados yconectarlos adecuadamente en el mdulo de control, en sus repectivas bomeras deconeccin, respetando la polaridad de cables (guiarse por las seales de identificacin enlas respectivas bomeras y por los colores entre plugs y borneras), tener cuidado de que elequipo se encuentre desenergizado (la luz del interruptor de encendido debe estar apagaday preferiblemente el cable de poder desconectado), luego antes de conectar el cable de

poder, es recomendable realizar el acople entre la sonda de vidrio y la manguera de plstico

que transmite la seal de presin al sensor de presin diferencial, para ello introducir lamanguera de plstico en el terminal de metal ubicado en la parte superior de la sonda devidrio, este acople debe realizarse con sumo cuidado a fin de no romper la sonda. Es

importante que el tanque donde se encuentra la sonda de vidrio se encuentre totalmentevaco al momento de realizar este acople.

Una vez que se han realizado estas conecciones, debe precederse a llenar el tanquereservorio con agua hasta que la altura del lquido dentro del tanque supere por lo menosla indicacin de nivel mnimo. La cantidad de agua depende del nmero de tanques

acoplados que se desee utilizar, en una aplicacin determinada.

Para realizar el control digital es necesario conectar al mdulo de control la tarjetade adquisicin de datos DAS-128 al mdulo de control, para ello se debe conectar loscables de salida y entrada a la respectiva bornera terminal de la tarjeta conectada alcomputador, de acuerdo al prtico de acceso y salida seleccionados. Es importante conectartambin para esta aplicacin la seal de referencia respectiva (tierra) entre el mdulo decontrol y la bornera terminal de la tarjeta DAS-128.

A.3 UTILIZACIN DEL EQUIPO

Una vez que el equipo ha sido adecuadamente montado, esta listo para proceder atrabajar, para ello es necesario conectar el cable de poder al mdulo de control en surespectivo terminal, antes de proceder a encenderlo seleccionar el tipo de control a utilizar

con los respectivos selectores, y proceder como a continuacin se detalla para cada tipo decontrol, luego encender el equipo (activar el interruptor de encendido, la luz de encendidose enciende y el equipo empieza a funcionar) y proceder a realizar las pruebas requeridas.Tener cuidado de que antes de encender el equipo, la manguera que sube desde la bombade inmersin a los tanques del prototipo se encuentre dentro orificio de coneccin dentrodel tanque deseado para evitar que el agua se derrame fuera del prototipo.

A.3.1 Control Manual

Colocar el selector anto-0-man en la posicin de manual y variar el caudal de labomba utilizando la perrilla de manual bomba hasta conseguir el caudal deseado, tenercuidado antes de encender el equipo, que la perilla de manual bomba se encuentre en elvalor mnimo o el selector de auto-0-man en la posicin 0.

A.3.2 Cootrol anlogo

Colocar el selector auto-0-man en la posicin de auto y luego selecionar el tipo decontrol mediante el selector respectivo. Fijar los valores deseados de las constantes delcontrolador PtD mediante las perrillas respectivas. El nivel de referencia se fija mediantela perilla de control respectiva, la altura de referencia puede observarse en el indicadorrespectivo. Tener cuidado de que esta perilla se encuentre en el valor mnimo antes deencender el equipo.

A.3.3. Control digital

Colocar el selector auto-0-man en la posicin de auto y luego selecionar el tipo decontrol mediante el selector respectivo. Fijar los valores deseados de las constantes delcontrolador PED mediante software, el control digital empieza a funcionar cuando se hanterminado de ingresar por teclado estos parmetros.

A.4 DESCONECCION DEL EQUIPO

Cuando el equipo ha terminado de utilizarse, debe proceder a desmontarse para elloprimero desconectar el cable de poder (siempre y cuando el equipo este apagado), luegodesconectar los cables de coneccin entre el prototipo de tanques acoplados y el mdulode control, tener cuidado de no halar los cables si no sacarlos con el plug respectivo dela respectiva bomera con cuidado. Para sacar la manguera de plstico acoplada a la sondade .vidrio, primero es necesario vaciar por completo el tanque en el que esta se encuentra

(dejar la vlvula de desfogue abierta hasta que salga toda el agua posible) y luego consumo cuidado sacar la manguera de plstico del terminal de metal ubicado en la partesuperior de la sonda de vidrio.

Cuando los cables de coneccin han sido removidos, apartar el mdulo de controla un lugar seguro. Para proceder a vaciar el tanque reservorio del prototipo de tanquesacoplados abrir la nave de desfogue ubicada en el mismo colocando un recipiente bajo lamisma, para poder sacar toda el agua del tanque resorvorio es neceasrio remover la basesoporte y los tanques acoplados del tanque resorvorio, para ello quitar la manguera de

plstico que sube desde la bomba de inmersin de los tanques acoplados y proceder a

remover los tanques con cuidado, colocar los tanques acoplados en una superficie lisateniendo cuidado de que no quede levantada la base de los tanques acoplados por la vlvulade desfogue. Si hay lquido dentro de los tanques acoplados virar estos con cuidado yverter el lquido en el tanque reservorio. Luego retirar con cuidado la base soporte y

ponerla horizontal sobre una superficie plana en lugar seguro.

Cuando el nivel dentro del reservorio sea el mnimo posible voltear este con cuidadosobre un recipiente para vaciarlo por conpleto, tener cuidado con la bomba de inmersiny de no mojar los terminales de los cables.

Del buen uso que se d al equipo depende la vida til del mismo, por lo tanto, es

necesario observar con cuidado todas estas normas para su correcta utilizacin.

B. MANUAL DE CALIBRACIN

A continuacin se detalla la manera de calibrar cada una de las distintas tarjetas queconforman el mdulo de control. Los potencimetros que se mencionan son referidos a las

respectivas tarjetas.

B.l Calibracin del sensor de presin

Esta calibracin es necesaria cuando la lectura que se muestra en el display nocoincide con la lectura visual del tanque del prototipo, para calibrar el sensor de presindebe precederse de la siguiente manera:

1. Conectar el equipo2. cerrar la vlvula de desfogue completamente3. con el tanque completamente vacio calibrar el valor de cero, para ello encender el equipoy variar el potencimetro RO en la tarjeta SCX-EB hasta conseguir que el voltaje de salidasea aproximadamente O V ( que la lectura del indicador del nivel real seaaproximadamente O cm)4. Luego llenar el tanque hasta 20 cm (se puede utilizar para ello la opcin manual) yvariar el potencimetro R^ hasta conseguir que el voltaje de salida sea de 5 V ( que lalectura del indicador de nivel real sea aproximadamente 20 cm)5. Repetir la calibracin con puntos intermedios y muevamente los mximos desernecesario. Tomar en cuenta que la presin ejercida por 40 cm de agua debe dar una salida10 V, es decir la salda de la tarjeta SCX-EB debe ser 0.4 V/cm.

B.2 Calibracin del indicador de nivel de referencia y del nivel real

La calibracin para cada una de estas tarjetas debe ser idntica, por lo que serecomienda realizar la calibracin de estas dos tarjetas en forma conjunta.

1. Cortocircuitar los terminales de Vin y tierra en la bomera respectiva, encender el equipoy luego variar el potencimetro Pl hasta conseguir que la lectura del display sea 00.0,

2. Quitar el cortocircuito y aplicar un voltaje de 10 V mediante una fuente extema alterminal de Vin y variar los potencimetros P2 y P hasta conseguir que la lectura deldisplay sea de 40.0,3. Variar este voltaje hasta 5 V y comprobar que la lectura sea de 20.0; en caso contrariorealizar los ajustes neceasrios hasta conseguir esta lectura4. Repetir el paso 2 y el paso 3 hasta conseguir las lecturas deseadas5. Comprobar con valores intermedios y nuevamente con los mximos de ser necesario

B.3 Calibracin de la tarjeta del mdulo generador de la seal PWM

Para calibrar esta tarjeta debe precederse de la siguiente manera:

1. Cortocircuitar los terminales de coneccin de externa para control digital de Vin y Gnd

2. Colocar el selector auto-0-man en la posicin de auto y seleccionar control digital3. Encender el equipo y comprobar que en el pin del circuito integrado LM3524 se tengaun voltaje de 1 V, en caso contrario variar el potencimetro Pl hasta consegir este voltajesobre dicho pin4. Para calibrar la frecuencia de troceado, valindose de un osciloscopio conectado al pin

de salida, variar el potencimetro P2 hasta conseguir una frecuencia de troceado deaproximadamente de 1 KHz.

C. MANUAL DE USUARIO DEL PROGRAMA

C.l Cmo ingresar al programa?

Para ingresar al programa de control digital del prototipo, debe ingresarse primeroal programa de CONTROL DIGITAL DIRECTO instalado en el computador del laboratoriode control automtico, para ello ingresar desde la raz del disco duro primero al

subdirectorio C:\CCD. Luego digitar el comando CONTROL y luego presionar ENTER.

Cuando se ha ingresado al programa controLexe las primeras pantallas en aparecerson unas cajas de dilogo en el centro de la pantalla con informacin relativa al programa,(aparecen una despus de otra) para quitar la caja de dilogo de la pantalla basta conposicionar el cursor del MOUSE en el botn OK de la caja de dilogo y dar un clip presionar las teclas ESC o ENTER.

Inmediatamente en la pantalla del computador se presenta el men principal delprograma en un ambiente de trabajo similar al de la mayora de paquetes comercialesexistentes en el mercado. Referirse al manual de operacin del programa CONTROL-EXE^para el manejo de las opciones del men principal.

C.2 Cmo ejecutar una aplicacin de control de nivel de lquidos?

Una vez dentro del programa controLexe seleccionar en la barra de menprincipal, la opcin OTROS, inmediatamente se despliega en pantalla un submen con las

siguientes opciones:ON-OFFDAHLINSTANQUE

r)Fustlos P. " Algoritmos para control digital directo", Tesis de grado, E.P.N., 1994

La opcin de tanque es la que nos permite trabajar con el prototipo de control de nivel delquidos. Cuando se ha seleccionado esta alternativa se despliega un nuevo subrnen en

pantalla con las siguientes opciones:

CONTROL PE) INDEFINIDO CONTROL-F8CONTROL PE) INDEHMDO-ARCHTVO AJLT-F8

Las dos opciones funcionan de idntica manera, pero la alternativa ARCHIVO

permite almacenar los valores de la prueba en un archivo que debe ser seleccionado

anteriormente en el men de OPCIONES DE GRFICO dentro del men principal.Ntese que estas opciones tambin pueden ser ejecutadas presionando las teclas indicadas.

Una vez que se ha seleccionado una de estas alternativas aparece en pantalla un cajade dilogo para ingresar los parmetros del controlador PID digital y la altura de referencia

deseada, para ingresar dichos parmetros basta con posicionarse en el lugar deseado y hacer

un clip con el mouse, luego ingresar el valor numrico deseado y dar un ENTER.

Cuando se han ingresado todos los parmetros del PID y la altura de referencia elproceso da inicio y en la pantalla del computador aparece el grfico de respuesta delsistema de control de nivel de lquidos, en donde se podra observar como vara tanto la

seal de control como la respuesta del sistema. Para detener el proceso debe presionarsecualquier tecla.

C.3 Cmo escoger el tipo de grfico de respuesta para la aplicacin de control de nivel

de lquidos?

Antes de proceder a ejecutar una aplicacin de control de nivel de lquidos, esnecesario definir los parmetros con los que se va ha trabajar en pantalla, como son tipode grfico de respuesta, perodo de muestreo, tiempo en pantalla, altura en pantalla, etc.Estos parmetros se escogen dentro de la opcin de OPCIONES DE PANTALLA dentro

del men principal.

Para la aplicacin de control de nivel existen dos tipo de grficos de respuesta quepueden ser desplegados en pantalla y que son:

COMBINADO que muestra la pantalla dividida en dos secciones: Una donde se observanlas curvas de respuesta del sistema y otra donde se puede ver como vara el nivel dentrodel tanque.

RESPUESTA que muestra nicamente las curvas de respuesta del sistema en la pantalla.

El tipo de grfico a mostrar en pantalla se escoge dentro del submen TIPO DE GRAEICO

TANQUE.

Con el prototipo de control de nivel de lquidos se pueden realizar aplicaciones

prcticas de las distintas opciones de control disponibles en el programa control.exe, lonico que se debe tomar en cuenta para poner la referencia es que 10 V son equivalentesa 40 cm de altura dentro del tanque del prototipo.

Rl PROTOTIPO PARA CONTROL DE LQUIDOS Y MODULO DE CONTROL

F.2 PROTOTIPO PARA CONTROL DE NIVEL DE LQUIDOS EN OPERACIN CONLA TARJETA DAS-128

F.3 PROTOTIPO PARA CONTROL DE LQUIDOS EN OPERACIN CON EL EQUIPOKEITHLEY 500A

F.4 RESPUESTA DEL SISTEMA CON EL EQUIPO KEriHLEY 500 A

F.5 EXTERIOR DEL MODULO DE CONTROL EN OPERACIN CON CONTROLANLOGO

F.6 RESPUESTA DEL SISTEMA CON LA TARJETA DAS-128

F.7 INTERIOR DEL MODULO DE CONTROL

F.8 INTERIOR DEL MODULO DE CONTROL- DETALLE DE CONECCIONES

;FtATURES Um Cost Tempera turo Compensaron Ctbrated Zero and Span' SmaflSlze MV Nolse Hlgn Impedance for Low Power

Qr Applications[APPUCATIONS[ Mtdlcal Equlpment, Computer Perpherals,1 Pneumatlc Controls HVAC

EQUIVALEN! CIRCUIT

aECTRICAL CONNECTION

r>i 1) IMipnron CWM {

SCX C SeriesOtolpsito OtolOOpsi

Low Cost Compensated Pressure Sensors

GENERAL DESCRIPTIONThe SCX C serles sensors w|U provide a very cost eff ectivesolution for pressure appllcations that requlre operalionover a wide temperature range. These Intemally calibratedand temperatura Compensated sensors give an accurateand stable output over a 0C to 70C temperature range.Thls serles 3 Intended lor use wlth norvcorrosive, non-ionlc worklng tluids such as alr, dry gases, and Ihe llke.Devices are available to measure absoluta, dlfferentlal,and gaga pressures from 1psl (SCXQ1) up to TOOpsI(SCX100). The Absolute (A) devlces have an Interna! vac-uum reference and an output voltage proportlonal to abso-luta presaure. The Dlfferential (D) devlces allowappllcatlon of pressure to elther alde of the pressure sen-Ing diaphragm and can be used for gaQe or dlfferenilalpressure measurementa.

. .i" **} The SCX devlcea feature an Integrated clrcult sensor ele-ment and lser Irlmmed thlck film ceramlc housed In acompact nylon case. Thls package prvidos excellent cor-rosin reslstance and provides Isolatlon to extemal pack-age stresses. The package has convenlent mountlnQholes and pressure ports tor ease of use wlth standardplstic tublng for pressure connectlon.All SCX devlces are callbrated lor Span to wlthln 5% andprovide an offset (zero pressure output) ot 1 mllltvoltmximum. These parts were deslgned for low cost appll-cations where the user can typlcally provide Une adjust*ment of zero and apan In extemal clrcultry. For hlgheraccuracles, refer to the standard SCX serles datasheet. IIthe appllcatlon requlres extended temperatura range oper-atlon, beyond O to 70C, two plns whlch provide an outputvoltage proportlonal to temperatura are available lor usewlth extemal clrcultry. .The output of the brldge Is ratlometrlc to the supplyvoltage and operatlon from any D.C. supply voltaoe up to+30V Is acceptable.Because these devlces have very low nolse and 100 mlcro-second responso time they are an excellent cholee formedical equlpment, computer peripherals, and pneumatlccontrol appllcatlons.For furthertechnical Information on the SCX series, pleasecontad your local Sensym office or the factory.

pp

PRESSURE SENSOR CHARACTERISTICS

STANDARD PRESSURE RANGES

PART NUMBR OPERATING PRESSURESCX01DNC 0-1 psldSCX05DNC 0-5 psldSCX15ANC 0-15 pisaSCX15DNC 0-15 psld

SCX30DNC 0-30 psldSCX100ANC 0-100 pisaSCXTOODNC 0-100 psid

PROOF PRESSURE*20 psld20 psld30 psa30 psld6Opsla60 psld150 psia150 psld

SCXCSerW'

FULL-SCALE SPAN18 mV60 mV90 mV90 mV90mV90mV100 mV100 mV , ' ,

Mx!nxjmpfasurebovewhlcti causes permanant sensor lallurt "*

Mximum Ratlngs (For Al! Devices) Envlronmental Speclflcatlons (ForAII Devki)Supply Voltage, Vs +30^oc Temperatura RangeCommon-mode Pressure SOpsIg Compensated Oto7DCLeadTemperature Operatlng -40Cto +85"C

(Solderlng,10seconds) 300C Storage -55Cto +125*CHumldlty Umlts 0 to 100% RH

'-:*

SCX01DNC PERFORMANCE CHARACTERISTICS (Notei) : 'CHARACTERISTIC

Operatlng Pressure RangaSensltfvltyFull-scale Span (Note 2)Zero Pressure OffsetComblned Unearlty and Hysteresis (Note 3)

Temperatura Effect on Offset (0-70C} (Note 4)Repeatablllty(Note5}Input Impedance (Note 6}Output Impedance (Note 7)Common-mode Voltage (Note 8)Responso Time {Note 9)Long Term Stablllty of Offset and Span (Note 10)

MIN n

17.00 18.

5.7 6

2-16

T MAX1

00 19.00+1.0

.2 1.0

.4 2.0.20 1.0U 0.5

0 6.3

, . . . "A

UNfT 'pskJ -

mV/palmVmV

%FSO%FSO

mVAFSO

kQkQ

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%FSO

.*

-o-'.:2j|fe

5aS?Kl * - -

^ m* m' m

JTYP1CAL PERFORMANCE CHARACTERISTICS

Voltage fll Pin 1 vs. Temperatura

SCXC Series

\fellaga ni Pin 6 va. Temperatura

i,so

p*"*'>, Input Impodance vs.Temperatura

1.10.1Hzto10HzNotM

1.75

Notes: (Fw AII Dvks|(W((lh*o(fsalvol1>oqand th orb*nd oUtM P*n.

[eUoypreaao +TO-C

ift",Output tmp*dno l*tfM irnodarx:a betwo(i pin3 uvl 3.

ik Ro(xn*[lrT>IOOpl to toll-c* pnproworlBpchno,10% toWH rtM Urna.i* lang wm *UWIIty CTKT

GENERAL DISCUSSIONThe SCX serles devices glve a vollage ouput whlch Isdlrectly proportlonal to applled pressure. The deviceswlll glve an Increaslng positiva golng output when In-creasng pressure !s appfied to pressure port P0 of thedevlce. If the Input pressure connectlons are reversed,the output wlll Increase wlth decreases In pressure. Thedevices are ratlornetrlc to the supply voltage andchangos In the supply voltage wfll cause proportlonalchangos In the offset voftage and full-scale span. Slncetor absoluta devlce pressure Is applied to port PA, out-put polar!ty wlll be reversad.

UserCalIbralonThe SCX devices are fully callbrated for offset and spanand should therefore require little user adjustment Inmost applicatlons. Fbr precise span and offset adjust-ments, refer to the appllcations sectlon hereln or con-tact the Sensym actory.

Vacuum Reference (Absolute Devices)Absoluto sensors have a hermetically gealed vacuumreference chamber. The offset voltage on these unlts stherefore moasured at vacuum, Opsla. Slnce all pres-sure Is measured relativo to a vacuum reference, allchangos In barometra pressure or changos In altitudewill cause changes In the devlce output.Media CompatlbllltySCX devices are compatible wlth most non-corros!vegases. Because the clrcuitry s coated with a protective

slicon gei, many otherwlse corrosivo envlronmenta canbe compatible with the sensora. As shown In the phys*-cal construction diagram below, flulds muat genamltybe compatible with slllcon gel, plstic, alumlnurn, FTTXsilicon, and glass for use wlth Port B. Forquestionacoo-cernng media compatibllity, contact the factor/.

MECHANICAL AND MOUNTING . ,CONSIDERATIONSThe SCX nylon houslng Is deslgned for convenlent pro-sure connectlon and easy PC board mountlng. Tb mountthe devlce horlzontally to a PC board, the leads can tubent downward and the package attached to the borjuslngelthertlewrapsormountngscrews. Forpresaunattachment, tygon or slllcon tublng Is recommendcd. -All vorslons of the SCX sensors have two (2) tubea vifl-able for pressure connectlon. Fbrabsolutedevlces,onfyport PA Is active. Applylng pressure through the ofmport wlll result In pressure dead endlng Into the bacfc-'slde of the slllcon sensor and the devlce wlll not gtw anoutput slgnal wlth pressure. , ', --Vi?Fbr gage appllcatlona, pressure should be applted to'port PB. Port PA, Is then the vent port whch fa ieft opon to"tho atmosphere. For dlfferentlal pressure appllcattom,to get proper output slgnal polarlty, port P8 should tused as the hlgh pressure port and PA should be used the low pressure port.

Physlcal Constructlon (Cutaway Dlagram)

PHYSICAL DIMENSIONS

HOLEPflESSURE

PQFTTS

0.55t.J

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O.Um.z)

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