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Modulo de Simulacion y Operacion de Procesos Industriales - MOSPIResumen - El presente trabajo consiste en el diseño y la implementación de un Módulo de Operación y Simulación de Procesos Industriales tales como control de nivel, control de temperatura, control de razón o proporción, con el fin de resolver varias necesidades educativas de los estudiantes de la carrera de Ingeniería Electrónica en la especialidad de Control, Automatización y/o ramas afines. La implementación del mismo se realizó empleando recursos locales: dispositivos y componentes electrónicos. El módulo de Operación y Simulación consta de cuatro etapas, cada una de ellas puede trabajar de forma separada o de forma conjunta para demostrar las principales características de un proceso. La unidad de control se basa en la medición de variables análogas a través de los canales de conversión de un microcontrolador. El sistema puede trabajar en Lazo Abierto y en Lazo Cerrado, y ofrece la posibilidad de una supervisión en tiempo real ejecutando una aplicación que mantiene una comunicación constante entre el módulo y la computadora con el fin de demostrar el funcionamiento de un sistema SCADA. Abstract - This project propose the design and implementation of an Operation and Simulation module of Industrial Process, like level control, temperature control, and dosage or mixed control. The principal idea is to bring some knowledge to the students of electronics engineer and others branches and reduce all several educational necessities of them. The module was built using local resources like devices and electronics components. This one, has four stages, each one of them, can work alone or in a combined way to demonstrate the main characteristics of a process. The system uses an ADC to convert all of the variables. Each of these will be converted for the correct interpretation of the microcontroller. Finally the system is able to operate in Open Loop or using a feedback control, and it can communicate with a PC, this is used to demonstrate that is possible to supervised the process like an SCADA system I. Introduccion - El Módulo de Operación y Simulación de Procesos Industriales (MOSPI) fue diseñado con el propósito de solucionar problemas educativos relacionados con la puesta en práctica de los conocimientos adquiridos durante los cursos de Control y Automatización en la formación del futuro Ingeniero Electrónico.Es cierto que los elevados costos de los equipos de control muchas veces impiden a los alumnos tener un conocimiento más profundo en lo relacionado con la Ingeniería de Control y la Automatización Industrial. Fue por ello que se concibió la idea de realizar este trabajo. El MOSPI puede ser controlado desde un computador, microcontrolador o PLC y tiene las siguientes etapas: control de nivel de tanques (hasta cinco tanques) utilizando boyas y medición de presión hidrostática, control de temperatura utilizando un sensor integrado, control de dosificación de insumos y mezcla de los mismos.El diseño de la unidad de control del MOSPI se ha basado en el uso de microcontroladores que junto con las técnicas básicas de los Sistemas de Control permiten obtener un módulo que ofrece una serie de posibilidades a aquellos estudiantes que a la vez de relacionarlos con procesos reales, permiten la adquisición de habilidades que posteriormente se verán reflejadas en la vida laboral. II. Objetivos -
III. Desarrollo del Trabajo -
La concepción del MOSPI, siguió las siguientes etapas:
La selección de aquellos procesos más relevantes, fue realizada evaluando a las muchas industrias de nuestro medio. Asimismo, la elección tomó como referencia el grado de complejidad, ya que el módulo está concebido para abarcar áreas básicas y avanzadas dentro de la formación del área de Control. En la figura Nº 1 se puede apreciar el software de supervicion . Se muestra la constitución y la distribucion del conexionado de las válvulas, motores, bombas y sensores.
Fig 1. Identificación de los Procesos más relevantes Deacuerdo a la figura N° 1, podemos distinguir las siguientes partes en el MOSPI:
MOSPI, fue elaborado teniendo en cuenta los siguientes criterios:
Teniendo en cuenta las consideraciones mencionadas con anterioridad, se procedió a la elección de los controles que se iban a implementar. El control de Nivel y temperatura, son fácilmente implementables, sin embargo el control de flujo implica el uso de sensores con un costo elevado; por lo que se decidió incluir dos procesos que de alguna forma también complementan la actividad del control de Procesos de las industrias Nacionales, estos son, la Dosificación (consistente en el establecimiento de proporciones en dos volúmenes iguales) y la Mezcla de Insumos. Sensores - Los sensores aplicados en MOSPI, fueron escogidos siguiendo tres características principales:
Los sensores o transductores son los primeros dispositivos (mecánicos / eléctricos) que van a intervenir en el proceso de adquisición, estos se encargan de detectar un cambio de estado de la variable a medir (temperatura, presión, nivel, etc.) y de generar una señal eléctrica proporcional a la medida, la cual puede ser llevada posteriormente a un transmisor o acondicionador. A menudo los sensores son denominados elementos primarios, pero otras veces forman parte de otro bloque el cual se encarga de convertir y transmitir las señales a un valor estándar como 0 a 5 voltios, a este conjunto se le denomina transductor. La mayoría de sensores o transductores generan señales que tiene que ser acondicionadas antes que un dispositivo de adquisión pueda con precisión y fidedignamente adquirir la señal. Los acondicionadores incluyen funciones, transformaciones de voltajes, filtraje, protección o aislamiento eléctrico, amplificación y multiplexación. De acuerdo con lo mensionado se muestran los sensores usados en MOSPI:
Amplifidores de Instrumentacion - Estos circuitos, amplifican el nivel de una señal suministrada por un sensor cualquiera, a un nivel apropiado para que pueda ser leído por un indicador, controlador o sistema de adquisición. Entre las principales características podemos mencionar: alta impedancia de entrada, alta ganancia, amplificación de voltajes en forma diferencial y rechazo de voltajes no deseados. En la siguiente figura podemos ver la secuencia normal para un proceso de medición cualquiera, que involucre un sensor o un dispositivo de medición
Actuadores - En los procesos industriales los elementos finales de control o también denominados actuadores, se encargan de realizar la función de control final, la cual deriva de todo un programa preestablecido para realizar un proceso determinado. Existen distintos tipos de actuadores entre los que podemos mencionar a las bombas, las válvulas proporcionales, válvulas ON – OFF, motores, inyectores, etc. Todos estos equipos o dispositivos controlados de una manera secuencial permiten realizar diferentes dispositivos controlados de una manera secuencial permiten realizar diferentes trabajos, los cuales van a contribuir con la fabricación de un determinado producto o de realizar un determinado proceso. Entre los diversos actuadores que se utilizaran para construir el Simulador se encuentran las bombas, las válvulas solenoides de 2 y 3 vías, motores y mezcladores.
Selección del Controlador (Microcontrolador) - Por las características del hardware y el costo, se escogió al Microcontrolador PIC16F877. Este microcontrolador presenta una serie de características las cuales permiten la implementación del controlador. Su capacidad de comunicación, lo hacen útil para poder hacer una supervisión en tiempo real del sistema empleando el software. En el módulo se presentan dos tipos de sensores, aquellos con respuesta Análoga, es decir que entregan una variación continua de una magnitud física (en este caso se habla de Presión y Temperatura) y con respuesta Todo o Nada, que entregan una respuesta de ON – OFF según el estado de la variable a medir (en el caso de Nivel). Estos sensores están conectados a las entradas del PIC (Microcontrolador de MICROCHIP), deacuerdo a su naturaleza. Es decir, según sean ON – OFF y/o Análogo (Configurando el Módulo de Conversión A/D interno del PIC). Estas señales se van actualizando deacuerdo la velocidad del reloj del microcontrolador la cual es de 4 MHz es decir que se actualiza cada 0.25 us, lo cual es conveniente para los procesos como son Temperatura y Nivel (cabe resaltar que para el control de temperatura, se emplea una frecuencia de Muestreo (Fs) menor, debido a lo lento de su respuesta, en el caso de la Medición de la Presión la frecuencia (Fs) es la frecuencia Interna del cristal auxiliar interno del PIC ósea a 4 MHz).
Una vez dentro del microcontrolador, se tienen varias rutinas en la programación. A continuación se mencionan las rutinas que se tienen grabadas dentro del controlador con el fin de que funcione el programa principal:
Todas las rutinas anteriormente mencionadas, se integran en un programa el cual esta constantemente actualizando sus entradas y de acuerdo con los cambios modifica las salidas. En el establecimiento del control, se tienen bloques para los distintos modos de control, por ello cada uno de ellos activa a un grupo de salidas y a la evaluación de un grupo de entradas. Los sensores, emplean amplificadores de instrumentación debido a que muchas veces, la señal entregada por ellos no es lo suficientemente potente para ser llevada directamente a un sensor o sistema de adquisición, por lo cual debe ser amplificada previamente. Las señales análogas son convertidas a valores digitales, empelando para ello un módulo de conversión de Análogo a Digital. Este modulo se encuentra alojado dentro del microcontrolador, el cual hace las veces de comparador de estado. Las señales se monitorean en tiempo real, comparándose con los valores prefijados, en cuanto se tenga el valor requerido, el actuador realizará su cometido. El siguiente es un sencillo diagrama de cómo se realiza el proceso de control. Elaboración del Software de Supervisión - Para el monitoreo de Modulo se diseño en un software de control implementado en Visual Basic 6.0, el programa realiza la función de supervisar las operaciones del simulador correspondiente a cada proceso (Control de nivel, Temperatura, Dosificación y Mezcla).
El programa es capaz de mostrar en tiempo real es estado de cualquiera de los tanques, para el caso de control de nivel nos mostrara bomba 1 encendida y tanque 1 lleno, en el proceso de control de temperatura se mostrara tanque 2 lleno y el valor de temperatura actual del agua existente en tanque 2, que una vez comparado con su valor de Set Point (punto de referencia introducido por el usuario) para el control de dosificación (llenado de tanques 3 y 4). En el proceso de Dosificación se nos mostrara SV2 y SV3 encendido (Válvulas Solenoide) y también el porcentaje de llenado de cada tanque (tanques 3 y 4) esto se comparara con los valores de Set Point y cambiara de estado (pasa el proceso de mezcla). Al pasar al proceso de mezcla se mostrara en pantalla el estado de las válvulas SV4 y SV5, encendido, así mismos se podrá visualizar el llenado del tanque 5 el nivel en el que se encuentra una vez lleno este se mostrara M1 encendido (Motor de mezcla), dicho motor puede estar encendido hasta un máximo de 9 segundos dependiendo del tiempo de agitación que se le dio como referencia. Terminado el proceso de Mezcla regresa el proceso de Control de nivel y dependiendo del usuario se puede repetir o no repetir. IV. RESULTADOS -
Modulo Terminado MOSPI - Panel de Control MOSPI V. CONCLUSIONES -
VI. RECOMENDACIONES -
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS - [1] http://www.servoflo.com/fujikura/apponline.htm [8] Proyecto de Tesis “Modulo de Simulación de Procesos, basado en PC usando LabWindows”, USMP – 1999 VIII. AUTORES Y ASESORES - YAURI CASTRO, Guido Mitchell
SALAZAR GALLARDO, José Alexis
ASESORES Ing. GRANADOS LY, Alfredo
Ing. LUQUE GAMERO, Salomón
COMENTARIOS - El proyecto que se presenta, es promovido por la Escuela de Ingenieria Electrónica de Universidad de San Martin de Porres, se llego a presentar en el concurso de proyectos INTERCON 2005, auspiciado por la IEEE, cumpliendo asi con las espectativas propuestas.
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