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Laboratorio de Control Automático Control de Nivel, Planta FESTO Pág. 1

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGEIERÍA ELECTRÓNICA CURSO: LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO PROYECTO: CONTROL DE FLUJO DE LA PLANTA FESTO PROFESOR: ING. EDUARDO INTERIANO ESTUDIANTES: D. CHACÓN, A. CHACÓN, J. JIMENEZ.

PLANTA FESTO: CONTROL DE FLUJO

Tema: Cálculo y aplicación del regulador PI para el control del flujo de líquido de la planta FESTO.

Figura 1. Planta FESTO. Recursos:

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

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


Descripción del trabajo:

Previamente a este laboratorio se llevó a cabo el modelado modelo empírico de flujo de líquido para la planta FESTO con un experimento muy similar al llevado a cabo en el laboratorio corto 1 para el control de nivel de la misma plata, de igual forma en esta ocasión los datos fueron capturados con un osciloscopio InfiiniVision y luego procesados con la herramienta ident de Matlab. Para este proyecto corto 2, su tarea consiste en utilizar la herramienta sisotool de Matlab para diseñar un regulador PI continuo adecuado para que el flujo de la planta FESTO se estabilice en 4 s; verificar el diseño usando simulink y realizar un control de flujo de líquido constante, y programar el controlador PID en el PLC junto con los demás elementos, de modo que el sistema sea capaz de eliminar el efecto de las perturbaciones introducidas. Conocimientos previos

Funcionamiento mecánico de la planta:

Antes de iniciar con el trabajo, debe conocerse el funcionamiento mecánico de planta, el cual se detalla en los siguientes puntos que hacen referencia al esquema presentado en la figura 2: 1. El agua se almacena en tanque B101. 2. El control de flujo de agua se lleva a cabo por el sensor B102. 3. La bomba P101, lleva el agua hacia la válvula proporcional V106, la cual la devuelve al tanque B101 a través de la válvula V109. 4. La bomba P101 siempre se mantiene bombeando agua a su mayor capacidad. 5. Quien regula el flujo que circula en el sistema es la válvula proporcional V106. 6. El sensor de flujo FIC B102 es quien determina el flujo de agua que entra en el tanque B101. 7. La perturbación al sistema se realizan por medio de las válvulas manuales V103, V104 y V109. (Nota: esta no debe de abrirse por completo ya que la bomba no posee la capacidad de compensar dicha perturbación).


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

Modelo de la planta:

De forma similar a lo realizado en el experimento del laboratorio corto número 1 de este curso, se determinó el modelo para el flujo de agua, tomando como sistema de entrada la válvula proporcional V106 y como salida el sensor de flujo B102, al realizar los distintos estímulos a la entrada se obtuvo el siguiente diagrama que representa el comportamiento de la planta a lazo abierto.

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

sensor de flujo [V] de la planta FESTO.


Seguidamente al procesar los datos obtenidos se obtuvo el siguiente modelo empírico:

5.3279

12.68 0.9451

Descripción del entorno del regulador PI continúo

El sistema de lazo cerrado se compone de los elementos que se presentan en la figura 4,

donde es importante destacar el regulador PI que deberá de dimensionar en la siguiente sección, como se puede apreciar en esta figura el rectángulo enmarcado con líneas discontinuas es la planta que ya conocemos del punto anterior, la retroalimentación se realiza a partir del sensor de flujo a las entradas del PID, y a este se le suma el nivel de referencia que se desea mantener constante, para eso primero pasa por una constante que convierte los litros por minuto que se desean alcanzar a V para ser interpretados por el regulador. (Nota: la constante también la debe calcular el estudiante con lo datos que se le facilitan en la seccione posterior).

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


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

5.3279

12.68 0.9451

Paso 2) En Matlab, ejecute la orden sisotool('rlocus', ) para ejecutar

la herramienta SisoTool que le permitirá realizar el diseño del regulador PI. Paso 3) Coloque el requisito de diseño correspondiente al tiempo de estabilización en la ventana del sisotool con clic derecho sobre el área blanca y luego seleccionando un nuevo requisito de diseño. El tiempo de estabilización del será de 4 segundos, esta condición de diseño es representada por un línea vertical como se muestra en la Fig. 5.

Figura 5. Herramienta Sisotool.


Paso 4) Agregue un regulador PI formado por un polo en s = 0 y un cero en los alrededores del polo dominante del sistema en lazo abierto. Puede editar el compensador de forma gráfica, arrastrando con el ratón; o en la ventana de edición del compensador, dando clic derecho en el área blanca y escribiendo el valor del polo o cero numéricamente. Paso 5) Ajuste de forma gráfica arrastrando el polo del sistema a la región deseada, dentro de la región que define el tiempo de estabilización, para obtener un sistema resultante con un tiempo de estabilización del 2% menor a 4 s, y con cero error de estado estacionario. Para ello observe el comportamiento del sistema ante las modificaciones en la simulación del sistema mostrada en la Fig. 6 que se obtiene al ir a “Análisis – Respuesta al escalón”. Active el grid y las mediciones de comportamiento (ts, Mp) para visualizar mejor el resultado obtenido en la simulación.

Figura 6. Simulación en Sisotool.

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


Figura 7. Implementación del controlador PI en Simulink.

Paso 7) Ahora en el entorno de Simulink, simule su sistema regulado con PI y verifique que se mantiene el sistema bien compensado aun en presencia de perturbaciones de entrada y de salida (relativas a la planta), puede añadir éstas agregando nuevos escalón que actúen en distintos tiempo, para ellos forme un diagrama como el que se muestra en el siguiente ejemplo.

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

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


Figura 9. Simulación de entrada escalón y perturbaciones.

Paso 9) Si todo se comportó correctamente llene los siguientes datos de las constantes del regulador PI para continuar con las demás secciones. Recuerde que debe convertir el regulador obtenido a la forma paralela usando la función de Matlab “residue”, para representarlo de la siguiente forma:

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

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


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

Con los datos que se le proveen en la siguiente tabla realice el cálculo de la función de mejor ajuste que refleja el comportamiento del sistema para realizar la conversión de litros por minuto a valores de porcentajes de tensión (recuerde del experimento anterior que el PLC trabaja sus parámetros, en este caso la tensión como porcentajes de acuerdo a su valor máximo. Esta linealización se debe realizar ya que la relación entre el flujo y el sensor no es 1:1, por lo tanto se debe determinar la relación entre los valores de referencia (en escala porcentual) y la cantidad de litros/minuto que se desea mantener.

Tabla 1. Valores medidos para la linealización del sistema.

Litros (L/min)

Valor (%)

0 0 1,75 22 3,5 44

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

y = ___________ ·x

La constante que se determinó es la constante de entrada que se aprecia en la figura 5 en el diagrama de lazo cerrado, que les permitirá convertir a valor de tensión los litros por minuto a los que deseen trabajar el sistema. Nota: Debe llevar calculado esto antes de ir al laboratorio. Parte III: Preparación del equipo


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

Tabla 2. Ajustes de la planta FESTO para el experimento.

Función Propiedades Comentario

Tanque B101

Nivel de agua a 3 Litros

Debe llenar este tanque a 3 Litros

Válvula V103

Cerrada Debe cerrarse de forma manual

Válvula V104

Cerrada Debe cerrarse de forma manual

Válvula V105

Cerrada Debe cerrarse de forma manual, esta se usa en

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

Válvula V106

Activa Debe programarse en el PLC

Válvula V109

Abierta Debe abrirse de forma manual

Llave AUTOMAN

Desactivada (Posición vertical)

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

posición vertical.

Interruptor PLC

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

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

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


Programación inicial:

Tanto para la obtención del modelo de la planta como para la programación del controlador de nivel es necesaria una configuración inicial de un nuevo proyecto; esta se muestra a continuación mediante una serie de pasos:

Paso 1) Inicio Programas SIMATIC SIMATIC Manager

Figura 3. Correspondiente al Paso 1


Paso 2) File New


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



Paso 4) Insert Station 2 SIMATIC 300 Stations


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



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


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



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


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



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


Paso 11) Station Save and Compile



Paso 12) PLC Download


Paso 13) Se elige CPU 313COK



Paso 14) MPI address: 2OK


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



Paso 16) Station Exit


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

(doble click)



Paso 18) Editar todos los siguientes símbolos:


Tabla 1. Símbolos editados.

Symbol Address Comment

Entradas del Panel de Control

START E125.0 Start button Touch panel

STOP E125.1 Stop button Touch panel

AUTOMAN E125.2 Auto/Manu switch Touch panel

RESET E125.3 Reset button Touch panel

Entradas analógicas a la estación

AI_Flow PEW 754 Analog input channel 1 level sensor

Salidas lógicas de la estación

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

Propval A124.4 Activiate proportional valve

Salidas analógicas de la estación

AQValve PAW 754 Analog output channel 1 prop.valve

Paso19) Symbol Table Save Symbol Table Exit


Implementación del regulador PI en el sistema PLC

Para la programación del PI es necesario tener ya calculados los parámetros del

controlador que será implementado en el servo, tales como: Kp, Ki, Kd, calculados en las secciones anteriores.

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

Figura 57. Esquema de bloque de función PID FB 41 “CONT_C”

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

salida que cumplen distintas funciones. Por esta razón se debe definir la ruta de


funcionamiento de nuestro PID según lo requerimos, a continuación se muestra dicha ruta en color rojo:

Figura 58. Ruta requerida para configurar nuestro PID FB 41 “CONT_C”

Para lograr definir esta ruta debemos asegurarnos que cuando programemos nuestro

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


Tabla 4. Configuración del PID requerida.

Parámetro Tipo de Dato Rango de valores Default Configuraciónrequerida

COM_RST BOOL FALSE MAN_ON BOOL TRUE FALSE

PVPER_ON BOOL FALSE TRUE P_SEL BOOL TRUE I_SEL BOOL TRUE

INT_HOLD BOOL FALSE I_ITL_ON BOOL FALSE

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

or phys. value 1) 0.0

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

0.0

PV_PER WORD W#16#00 00

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

0.0

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

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


LMN_HLM REAL LMN_LLM ...100.0 (%)

or phys. value 2)

100.0

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

0.0

PV_FAC REAL 1.0 PV_OFF REAL 0.0

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


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

0.0


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


Paso 2) OB1 (click derecho) Delete Yes



Paso 3) Insert S7 Block 1 Organization Block


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



Paso 5) Insert S7 Block 3 Function


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


Figura 64. Correspondiente al Paso 6 Paso 7) Insert S7 Block 1 Organization Block


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



Paso 9) OB1 (doble click) InsertNetwork


Paso 10) Insertamos un bloque CALL



Paso 11) Lo nombramos como FC3

Figura 69. Correspondiente al Paso 11 Paso 12) File Save File Exit Paso 13) FC3 (doble click) InsertNetwork1/Network2



Paso 14) View FBD


Paso 15) File Save File Exit

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



Paso 17) Definimos el nombre como DB41ENTER


Paso 18) Yes


Figura 74. Correspondiente al Paso 18 Paso 19) Agregamos las siguientes señales en sus correspondientes entradas y salidas


Paso 20) File Save File Exit

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


Figura 76. Correspondiente al Paso 21 Paso 22) File Save File Exit Paso 23) Blocks PLC Download


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

Figura 81. Correspondiente al Paso 3 Paso 26) InsertNetwork3


Paso 27) View STL

Figura 82. Correspondiente al Paso 8 Paso 28) Introduce en el espacio de trabajo de la Network3, sustituyendo por los valores obtenidos de m y b obtenidos en el Paso 2:

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

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



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



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



Paso 3) Ahora en la ventana emergente vaya a File Open (escoja su proyecto) Blocks DB41 Online (para activar la función en tiempo real) OK

Figura 84. Correspondiente al Paso 3.

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



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


Paso 6) Mueva manualmente las válvulas indicadas en la tabla de funcionamiento de la planta para realizar las perturbaciones al sistema y verifique el correcto funcionamiento del regulador. Paso 7) Guarde una imagen con los resultados que se muestran en el monitor, con la regulación inicial y al menos dos perturbaciones, adjunte estos datos en su informe.

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