PRÁCTICAS VÍA INTERNET Maqueta industrial de 4 tanques Simulación y análisis con Matlab

Realizado:

Laboratorio Remoto de Automática Versión: Páginas: (LRA-ULE)

Grupo SUPPRESS

Universidad de León

(Supervisión, Automatización)

Control

y http://lra.unileon.es

1.0

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Objetivos de la práctica El objetivo de esta práctica es entender la respuesta en el tiempo de un proceso industrial linealizado en torno a un punto de equilibrio. Por ello el documento está estructurado de la siguiente manera. Inicialmente se realiza una descripción del sistema. Posteriormente se incluyen los diferentes experimentos que el alumno debe realizar en modo simulación y de los cuales debe realizar un informe para superar de forma satisfactoria las prácticas.

Descripción del sistema El sistema físico está constituido por un proceso de cuatro tanques que implementa el problema de control propuesto por Karl Henrik Johansson. Se compone de cuatro tanques de agua interconectados entre sí de tal manera que la salida del desagüe de los tanques superiores se vierte en los inferiores. El flujo se suministra a los tanques a través de dos circuitos mediante dos bombas situadas simétricamente. Cada circuito consta de una válvula de tres vías que distribuye el caudal suministrado por cada bomba entre los tanques superiores e inferiores. Por lo tanto, el sistema dispone de cuatro entradas, que son las bombas (FY01, FY02) y las posiciones de las válvulas de tres vías (LV01, LV02), y de cuatro salidas, que son los niveles de los tanques (LT01, LT02, LT03 y LT04). El objetivo del proceso es la implementación de circuitos de control de sistemas SISO (Single Input Multiple Output) y MIMO (Multiple Input Multiple Output). Este modelo mantiene la estructura original del proceso de cuatro tanques propuesto por Karl Henrik Johansson, pero fue construido utilizando instrumentos comunes en entornos industriales: 

Bombas de recirculación → Bomba Grunfos UPE 25-40 equipada con inversor de frecuencia (Grunfos 40/60) para controlarla por medio de una señal analógica. Esta bomba puede funcionar en dos modos: presión proporcional; o presión constante. Además puede ser controlada mediante un bus de señal.

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

Válvula de Tres Vías → Válvula Samson 3226-3760 con posicionador Samsom 3760 que permite la regulación de la apertura mediante una señal externa. Estas válvulas se encargan de distribuir el flujo a través de los tanques. En caso de fallo, retorna a la posición de cero.



Medidores de Presión → Transmisor de presión Endress&Hausser PMC 731 para la medición de la altura del líquido en el tanque. Permite la utilización de protocolos HART, PROFIBUS-PA o FIELDBUS, operando en el rango de 4-20mA.



Electroválvulas → Electroválvulas SMC digital para simular las perturbaciones sobre el nivel del tanque. Solo tienen dos posiciones: abierto y cerrado. En caso de fallo, la válvula vuelve a la posición cerrada.

Ilustración 1 “Vista General de la Maqueta”

La Tabla 1 muestra todas las Entradas y Salidas que provienen de la instrumentación instalada en la maqueta. Los diferentes elementos que forman la planta son nombrados de acuerdo a la norma ISAS5.1-84 de la Convención Americana de Instrumentación Sociedad (ISA), un estándar de facto en la industria. Por lo tanto, la etiqueta de identificación denominada TAG, consta de dos partes que se definen a continuación. La primera parte de la etiqueta está formada por letras (letra, E: tensión; F: flujo; L: nivel; S: frecuencia, letras sucesivas, S: interruptor; T: transmisor; V: válvula; Y: relé; Z :

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actuador), y la segunda por los números, que identifican el sistema, circuito o lazo. De acuerdo con los instrumentos instalados en la planta, las variables que pueden ser manipuladas son las que se muestran en la Tabla 1. TAG LT01 LT02 LT03 LT04 LV05 LV06 SZ01 SZ02 ES01 ES02 ES03 ES04 ES05 ES06 FY01 FY02 LY01 LY02 LY03 LY04

Variable Nivel D01 Nivel D02 Nivel D03 Nivel D04 Válvula Nivel D01‐D04 Válvula Nivel D02‐D03 Convertidor Bomba P01 Convertidor Bomba P02 Confirmación bomba ON P01 Confirmación bomba ON P02 Fallo bomba P01 Fallo bomba P02 Presencia de tensión 24Vdc Presencia de tensión 220Vac On/Off Bomba P01 On/Off Bomba P02 Electroválvula D01 Electroválvula D02 Electroválvula D03 Electroválvula D04

Tipo 4‐20 mA 4‐20 mA 4‐20 mA 4‐20 mA 4‐20 mA 4‐20 mA 0‐10Vdc 0‐10Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc 24Vdc

Rango 0‐100 0‐100 0‐100 0‐100 0‐100 0‐100 0‐100 0‐100 N.C. N.C. N.C. N.C. N.C. N.C. N.C. N.C. N.C. N.C. N.C. N.C.

E/S  Entrada  Entrada  Entrada  Entrada  Salida  Salida  Salida  Salida  Entrada  Entrada  Entrada  Entrada  Entrada  Entrada  Salida  Salida  Salida  Salida  Salida  Salida 

Tabla 1 “Entradas y Salidas del Sistema”

La Ilustración 2 muestra el diagrama P&I de la maqueta industrial. La maqueta está montada sobre un panel de acero inoxidable, cuyas dimensiones son 140 cm de ancho por 114 cm de altura. Los tanques tienen una superficie de 21x18.4 cm y su altura es de 20 cm para los superiores, mientras que la altura es de 25 cm para las inferiores. El volumen del tanque de almacenamiento de agua es 91x18.5x20 cm. Desde el punto de vista de un sistema de control, lo que se persigue es obtener una gran flexibilidad. Los usuarios pueden elegir el sistema de control que van a utilizar para llevar a cabo sus tareas.

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Ilustración 2 “Diagrama P&I de la Maqueta Industrial”

Tareas a realizar En este apartado se enumeran las de tareas a realizar: 1. Acceder a http://lra.unileon.es/es/simulaci%C3%B3nmaqueta4tanqueslazoabierto

Ilustración 3 "Simulación"

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2. Comprobar que la válvula de tres vías LV05 se encuentra con un valor del 0%. Fijar un valor del convertidor SZ01 de la bomba izquierda y esperar hasta que el sistema alcance un punto de equilibrio, es decir, que el valor del nivel se mantenga constante en el tiempo. 3. Introducir un escalón desde el punto de equilibrio aumentando el valor del convertidor en un 20% y observar la respuesta exponencial en el nivel. 4. Descargar los datos pulsando en el botón “Descargar Datos”. El fichero generado es un fichero de texto que contiene en su primera fila, separados por punto y coma, los nombres de las variables de la maqueta y en las filas siguientes los valores de estas variables, también separados por punto y coma. Importar los datos a Matlab utilizando funciones como, por ejemplo, dlmread o importdata. 5. Representar con la función plot de Matlab las variables BombaIzquierda y NivelTanque1 en una misma gráfica desde el instante en el que se provoca el cambio de tipo escalón. Desplazar en x y en y para que tanto t(0) como y(0) (NivelTanque1) sean igual a 0. 6. Esta respuesta se aproxima a una función exponencial del tipo

, siendo

y(t) la salida del sistema (NivelTanque1). Calcular los valores de k y de a. k es el valor final de y (cuando t es suficientemente grande) y a es la inversa del tiempo para el cual la salida y ha alcanzado el 63% de su valor final (k). Para este apartado puede resultar de utilidad la función find de Matlab. 7. Definir en Matlab un vector de tiempos t. Definir a continuación la función para los valores de k y a calculados y dibujarla utilizando la función plot. 8. Usando la transformada inversa de Laplace y sabiendo que función de transferencia del sistema. Se recuerda que caso

, obtener la siendo en este

(entrada tipo escalón de 20 unidades).

9. Revisar la deducción que en las clases teóricas se ha hecho de la función de transferencia que relaciona el nivel de un depósito con un orificio que vierte a la atmósfera y el caudal

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de entrada. La función de transferencia deducida es un sistema de primer orden de la forma



.

Se ha de presentar un documento a través de Ágora con las capturas de pantalla de todas las gráficas obtenidas en Matlab y una descripción de cómo se han realizado cada uno de los 9 apartados de la práctica. El nombre del documento será apellido_nombre_maqueta4tanques.pdf.

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