Diseño y construcción de una interfaz de control de nivel, temperatura y flujo de agua en un tanque para uso en prácticas de laboratorio Esteban Richmond Salazar Control automático Conceptos Proceso Por lotes Contínuos Semicontínuos Variable controlada Variable manipulada Punto de consigna Disturbios Entradas Salidas Proceso Control automático Lazo retroalimentado Acción de control Punto de consigna Salida del controlador Error Variable manipulada Variable de proceso Disturbios + - Sensor / Transmisor Valor medido Elemento actuador Controlador Proceso Equipo para prácticas Construcción del equipo Vista frontal Proceso Diagrama de instrumentación S q1 q2 q3 S PT 31 FT 21 FT 11 FV 21 TT 31 LAL 31 LAH 31 FT 31 FV 31 P-31 V-31 H-31 Construcción del equipo Vista frontal Construcción del equipo Vista trasera Controlador Controlador Computador Personal + Transmisor V: Disponibilidad V: Bajo costo V: Flexibilidad V: Capacidad de almacenamiento V: Facilita el manejo de los datos D: Requiere software y hardware adicional Transmisor Transmisor Basado en microcontrolador AVR ATmega16 Económico Personalizable Hasta 16 MIPS a 16 MHz Memoria interna Oscilador RC interno 8 canales ADC de 10-bit 4 canales de PWM Valim. = (4,5 a 5,5) VDC Voper = 0 a 5 VDC Transmisor Programador DAPA PB0 PB5 (MOSI) PB6 (MISO) PB7 (SCK) RESET XTAL1 XTAL2 1 6 7 8 9 13 12 10 11 VCC GND ATmega16 IC1 J1 DB25 VCC 2 11 1 16 18 D0 Busy Strobe Init GND 470 R4 220 R3 470 R2 1,0k R1 10k R5 VCC D1 GND GND GND C1 27pF + C2 27pF + GND XT1 Transmisor Circuito de comunicación PD0 (RXD) PD1 (TXD) PD2 (INT0) 14 15 16 10 11 VCC GND ATmega16 IC1 J1 DB9 +5 V 4 6 7 8 2 3 5 DTR DSR RTS CTS RD TD GND C1 1,0μF + 16 VCC +5 V IC2 C2 1,0μF + 15 GND C4 1,0μF + 2 6 12 10 11 1 3 4 5 7 13 8 V+ V- R1OUT T2IN T1IN C1+ C1- C2+ C2- T2OUT R1IN R2IN MAX232 GND GND GND GND GND GND C5 1,0μF + C3 1,0μF + GND Transmisor Placa impresa Transmisor BERSAN-avr 0 1 2 3 4 5 6 7 GD 7 6 5 4 3 2 1 0 GD Entradas Analógicas (0-5 VDC) Entradas Discretas (Interruptores) PWM3 (10-bit) PWM4 (8-bit) Alimentación 9 – 15 VDC RS-232 Prog. LED Comunicación LED Encendido RESET PWM2 (10-bit) PWM1 (8-bit) Instrumentos de medición y de acción Medición de flujo Medidores de microturbina de rueda McMillan 101-8 Salida altamente lineal Alta precisión Tiempo de respuesta corto Bajo costo 200 a 5000 ml/min 0 a 5 VDC 5 a 50 °C Medición de temperatura Sensor basado en transistor 2N3904 (NPN de propósito general) Económico Alta linealidad Alta precisión Respuesta rápida Señal con buena potencia Libre de ruido – + Medición de nivel Interruptores de nivel magnéticos Madison M8700-C Económico Diseño simple Indicación puntual Confiables Alarmas de nivel No funcionan para control continuo Medición de nivel Sensor basado en transmisor de presión Cole-Parmer 68075-40 Diseño simple Alta linealidad Respuesta rápida Económico 0 a 3,5 mH2O 0,5 a 5,5 VDC Actuadores Válvulas de Solenoide Proporcionales (PSV) Aalborg PSV5S-VA Flujo proporcional Bajo costo Corto tiempo de respuesta 0 a 2850 ml/min 0 a 30 VDC Acondicionamiento de señales Acondicionamiento de señales Temperatura 1 +8 V L7805 In Out Com U1 3 2 + U2 – +8 V 4,7 kΩ R2 1,0 kΩ R1 0-1,0 k R4 10 k R3 4,7 kΩ R6 0-500 k R5 330  R7 2N3904 + – Q1 Vo GND GND GND GND GND 1/4 LM324 Acondicionamiento de señales Nivel de líquido + U1 – 10 kΩ R4 Vi 0-1,0 k R2 Vo +5 V 9,1 k R1 1,0 k R3 100 kΩ R5 10 k R6 100 kΩ R7 + U2 – 0-100 k R8 10 k R9 GND GND GND 1/4 LM324 1/4 LM324 Amplificación de potencia para válvulas Q1 TIP120 L1 75 Ω R1 +12 V +30 V + U1 – VPWM GND GND D1 Válvula PSV 1/4 LM324 Programas (Software) Software BERSAN-avr (Microcontrolador) Administra la conversión A/D 6716 conversiones A/D por segundo @ 12 MHz 1,2 ms por cada 8 canales Se comunica con la PC < 9 ms @ 57600 bps Conversión D/A PWM 10-bit 0 a 5 VDC No realiza cálculos para controlar el proceso Software BERSAN-pc (Interfaz gráfica para el usuario) Adquisición de datos (registro) Realiza cálculos para controlar el proceso Modos MANUAL PID Posicional PID Velocidad Intervalo de muestreo variable Software BERSAN-pc Resultados Resultados Sensores y actuadores Se comprueba la linealidad de todos los sensores. Válvulas se traban ante cambios bruscos hacia los valores bajos (< 4 VDC), y siempre a los valores altos (> 21 VDC). Se presenta ruido en el sensor de nivel a causa de las vibraciones del soporte. Resultados Señal ruidosa Resultados Señal filtrada Resultados Filtrado de señales Resultados Filtrado de señales Resultados Simulación Resultados Simulación Conclusiones y recomendaciones finales Conclusiones Los flujos máximos reales son el 70% del valor de diseño (2850 ml/min), debido al trabamiento de las válvulas PSV. El ruido causado por la bomba genera variaciones de ±5 % del valor instantáneo de la señal de nivel. El atenuamiento de dicho ruido es adecuado para factores de filtro mayores a 0,90. La temperatura de trabajo queda restringida al intervalo de 5 a 50 °C. Conclusiones El tiempo de muestreo y cálculo es menor a los 15 ms, operando a 57600 bps, pero conviene trabajar a intervalos mayores. Las gráficas tras la simulación muestran un comportamiento que cumple con el modelo planteado, excepto por las no-linealidades de las válvulas. Recomendaciones Sustituir las válvulas PSV o darles mantenimiento a las actuales. Acoplar el equipo con el Banco Hidráulico Gunt HM-150. Instalar filtro analógico a la señal proveniente del sensor de presión. Muchas gracias por su atención