INTRODUCCIÓN
Los procesos de soldadura han evolucionado de
manera Para poder diseñar el módulo didáctico se tiene una fundamentación
científico técnica, para lo cual se hará mención a todos los dispositivos que
forman parte del lazo de control del módulo didáctico como son: sensor de
presión, sensor de caudal, PLC, variador de frecuencia, electroválvula, Touch
Panel, bomba centrífuga, diseño mecánico, estrategias de control. La
fundamentación generada es el pilar fundamental de la investigación y conocer
los principios de funcionamiento de cada equipo a utilizar en el diseño del
módulo y la correcta selección de los equipos. Según Harper (2013), los
procesos industriales varían su naturaleza, pero tienen algo en común, que se
requiere de control de algunas magnitudes físicas como son temperatura,
presión, flujo entre otras.
El sistema de control compara el valor de una
variable a controlar con un valor deseado y cuando existe desviación del
proceso existe una acción controladora sin que exista una intervención de una
persona (Roca, 2014). El sistema de control elemental consta de la unidad de
medida, indicador, registrador, elemento final de control y el proceso a
controlar (Gutiérrez & Iturralde, 2017). En su forma básica un lazo o bucle
de control se lo puede tomar como un sistema compuesto por el elemento de
medición, controlador, elemento de control final y el propio proceso, el
propósito es mantener el proceso estable, independientemente de desajustes y
perturbaciones que puedan existir (Kuphaldt, 2016).
El sistema de control a lazo abierto no dispone de
una retroalimentación dada por un sensor, la salida se ajusta de forma manual
con ayuda de un operador, en su defecto, el sistema de control lazo cerrado se
apoya de sensores para toma de muestras de la variable (Ardila, 2017), este
valor es comparado con la señal de ajuste y un controlador toma una acción para
que el sistema se mantenga cerca de la señal deseada (Harper, 2013). Según Moya
(2018), la importancia del comportamiento dinámico de los procesos que influye
mediante una variable física o química, la cual debe ser medida o controlada,
las variables más usadas en control de procesos son: temperatura, presiones,
caudales, velocidad, nivel, peso, humedad, conductividad, densidad,
concentración de un reactivo entre otras, las cuales son de naturaleza
dinámica, por lo que siempre ocurren variaciones y si no se toman acciones
oportunas, la calidad del producto y los índices de producción, no cumplirán
con las condiciones de diseño (Mesa et al., 2020).
Hay dos variables físicas que en fluidos son las
más usadas y controladas, estas son Presión y Caudal. Se puede definir el
caudal como la cantidad de fluido que circula a través de una sección por
unidad de tiempo, esta definición es válida para cualquier tipo de fluido
(Mott, 2006). Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que
pasa por un área dada en la unidad de tiempo (PCE Instruments Chile SA, 2011).
La presión es definida como la fuerza ejercida por unidad de área, siendo
directamente proporcional a la fuerza adquirida (Cotos, 2019).
Estrategias de control de procesos
La operación automática de un sistema de control
permite el encendido, apagado, modulación, arranque secuencial de equipos
mecánicos y eléctricos para cumplir con el enfriamiento, calefacción,
ventilación del espacio, flujo de líquidos, niveles de tanques entre otros, que
a través de los controladores cumplen con los requerimientos del usuario final
en los procesos industriales (Ibarra et al., 2018).
Los controladores On-Off conocidos como no
progresivos, son los controles que sólo puede tomar dos posiciones: un
encendido o un apagado por ellos también se los denomina controladores de todo
o nada. Una desventaja del modo de encendido-apagado es el Start y Stop
habituales o repetitivas alrededor del valor del punto de Setpoint (Peralta
& Vargas, 2020). El control On-Off con histéresis, incorpora un retardo en
el cambio de la señal para disminuir la cantidad de conmutaciones, prolongando
la vida útil de los componentes, pero se tendrá una menor precisión en torno a
la referencia (DSI, 2016).
El control proporcional tiene como finalidad
amplificar la señal del error antes de ejecutarla al proceso, con este tipo de
control al aumentar la ganancia proporcional aumenta su velocidad y hace que
disminuya el error (Tecnología de Control, 2015). El control integral tiene
como función principal disminuir y tender a eliminar el error en estado estable
generado debido al modo proporcional, pero se generan oscilaciones en el
sistema que provocan que el sistema se ralentice (Thorsen et al., 2019)
El control derivado aproxima el error a cero y lo
corrige agregando amortiguamiento al sistema a una tasa igual a la tasa a la
que ocurre el error (MA’ARIF et al., 2021).
El control PID, no es más que la suma de las
acciones Proporcional, Integral y Derivativo, su uso en la industria es muy
frecuente, al aplicar este tipo de control aumenta la velocidad de respuesta,
la estabilidad y presión del sistema, siendo considerado como un control de
ajuste con predicción automática (Borase et al., 2020).
La Tabla 1, basada en (Ang et al., 2005),
identifica los efectos, las ventajas y desventajas de la aplicación de cada una
de las estrategias de control antes mencionados.
Tabla 1. Efectos, ventajas y desventajas de la aplicación de las diferentes
estrategias de control.
Material y métodos
Se utilizó un tipo de investigación
experimental, se inicia con la investigación de información sobre todos los
puntos que intervienen para el desarrollo del módulo didáctico previo a su
implementación, se parte del método deductivo con el cual se analiza la
información obtenida.
En cuanto a las técnicas fueron necesarias
la observación, el análisis documental y la experimentación, para poder
implementar el proyecto, consecutivamente efectuar pruebas y verificar el
funcionamiento.
Se emplea la metodología cuantitativa ya que
se aplica investigación todo sobre los equipos se pueden utilizar en el diseño
del módulo llegando a tener una máxima objetividad en ello y también se obtuvo
una metodología cualitativa ya que se requirió ver cuál fue la problemática
entorno al laboratorio de electromecánica, observando sus necesidades e
identificando que el módulo a implementarse ayudará a mejorar los conocimientos
teórico-prácticos.
Descripción del Sistema
El módulo didáctico de control de procesos de
las dos variables manual y automático todo controlado desde un HMI programado
en la Touch Panel y vinculado por Ethernet al PLC, el módulo controla la
variable presión mediante un control PID y un control On/Off y el actuador que
entra a funcionamiento es la válvula de control con un flujo de caudal
constante al máximo de la bomba, para el control de la variable caudal se lo
realiza mediante un control PID sintonizado y el actuador que entra a
funcionamiento es el variador de frecuencia y la válvula de control debe estar
abierta al máximo, todo esto es controlado desde la pantalla Touch Panel.
Mecánicamente fue diseñado sobre una
estructura metálica para sujeción del tanque, bomba y demás elementos de la
tubería, consta con la instrumentación adecuada para las variables de proceso
de presión y caudal como es un transmisor de Presión de 4 a 20mA y un sensor de
pulsos para el paso del caudal. Los actuadores son una bomba centrífuga
controlada por un variador de frecuencia y una válvula proporcional para dejar
o no pasar el flujo de agua por la tubería.
Esquema del Sistema
El módulo didáctico viene representado en el
diagrama de bloques de la imagen 1 en donde se indica las dos variables que se
encuentran inmersa en el mismo y los modos de control manual y automático.
Figura 1. Diagrama de bloques del módulo didáctico.
En donde la nomenclatura del diagrama es la
siguiente:
PROCESO: Proceso
de caudal y presión en la tubería representado por la bomba centrífuga, el
tanque de almacenamiento, válvulas, accesorios y la conexión de la tubería
(1/2) que va desde el tanque a la bomba y desde la bomba hacia el tanque.
PLC:
Representa la Unidad de Control Lógica Programable (Siemens S7-1200 CPU 1214C y
módulo SM 1234 AI/AQ), dispositivo que se encarga de adquisición de datos,
control de las variables, gestionar las comunicaciones con el HMI y la PC.
HMI:
Representa la Interfaz Humano Máquina (KTP600 Basic), mediante la cual el
operador puede interactuar con los procesos, seleccionar el tipo de control e
ingresar el valor de Set Point que se desea en modo automático.
ECF VF:
Elemento de control final (Variador de Frecuencia), dispositivo que regula la
velocidad de la bomba de acuerdo a una señal de control, tiene como función
variar el caudal de agua que circula por la tubería.
ECF PV:
Elemento de control final (Válvula de control electroválvula), dispositivo que
regula el caudal de la tubería acuerdo a una señal de control, tiene como
función variar la presión que circula por la tubería.
Transmisor de Presión: Transmisor encargado de sensar la variable presión (Pressure
Transmitter), transmite mediante una señal estándar de corriente de 4 a 20 mA
al PLC.
Transmisor de Caudal: Representado por un caudalímetro que entrega un tren de pulsos y
esta frecuencia es transformada por un conversor F-V, transmite mediante una
señal estándar de corriente de 0 a 10V al PLC.
Diagrama de tuberías e instrumentación
(P&ID)
El diagrama P&ID del sistema se lo
muestra en la Figura 2.
Figura 2. Diagrama P&ID del módulo didáctico.
La nomenclatura utilizada en el diagrama
P&ID del módulo didáctico es la siguiente y se toma como lazo del proceso
al valor de 10 para seguir la nomenclatura del diagrama:
·
Bomba (P-10):
Bomba trifásica de 1HP, con la cual se da el proceso de impulsión y succión del
agua que circula por la tubería desde y hacia el tanque.
·
Válvulas de paso (V-1, V-2, V-3, V-4): Son válvulas de bola que se encuentran instaladas en la tubería,
V-1 ayuda a desfogar el agua dentro del tanque de almacenamiento cuando se
desea vaciarlo, V-2 impide el paso del agua a la bomba y puede ayudar en un
mantenimiento de la bomba conjuntamente con la válvula V3 y V-4 puede ser
utilizada como una perturbación del sistema.
·
Válvulas check (V-5): Válvula check instalada para protección y que el flujo no retorne
a la bomba
·
Elemento primario de flujo (FE-10): Caudalímetro utilizado como sensor de flujo de rueda de paletas,
ubicado en campo.
·
Transmisor de flujo (FT-10): Transmisor de flujo montado en el panel, instrumento que convierte
la señal dada por el sensor de flujo en frecuencia a una señal estándar de 0 a
10V.
·
Indicador de flujo (FI-10): Rotámetro instalado en la tubería para indicación del caudal que
está pasando por la tubería.
·
Indicador de presión (PI1-10 / PI2-10): Indicador de presión manométrica ubicado en campo para la
medición de la variable física de presión.
·
Transmisor indicador de presión (PIT 10): Transmisor de presión ubicado en el campo, instrumento que envía
una señal estándar de 4 a 20 mA.
·
Controlador de velocidad (SC-10): Variador de frecuencia Sinamics G110 ubicado en el panel, su
función es controlar la velocidad de la bomba acorde a una señal de control
variando de esta forma el caudal de agua que transita por la tubería.
·
Válvula de Control de Presión (PCV-10): Válvula de control de presión que recibe una señal del control de
0V a 10V para apertura proporcional de la misma.
·
Controlador de flujo y presión (FC/PC-10): PLC SIEMENS S7-1200 ubicado en el panel, encargado de controlar
los procesos de presión y caudal, el cual debe comunicarse con la Touch Panel.
·
Registrador indicador de presión (PIR-10): Touch Panel.KTP600 ubicado en el panel, es un interfaz humano
máquina con la finalidad de indicar los parámetros de presión y selección del
tipo de control manual-automático.
·
Registrador indicador de flujo (FIR-10): Touch Panel KTP600 ubicado en el panel, es un interfaz humano
máquina con la finalidad de indicar los parámetros de flujo y selección del
tipo de control manual-automático.
Resultados y discusión
A manera de comprobar el funcionamiento de
los lazos, se realizaron varias pruebas, para comprobar el funcionamiento del
proceso controlado por el PID, variando las constantes entregadas por el Auto-tuning
PID Control, diferenciando los tipos de control P, PI, PID para comparar las
respuestas en estado estable e incluso con perturbaciones.
Prueba de control Proporcional
En el control proporcional se obtuvieron los
siguientes resultados ingresando los datos Kp=1000, Ti=0 y Td=0, como se indica
en la Figura 3.
Figura 3. Parámetros control P.
El set point ingresado es de 2 bar, el valor
proceso que se estabilizo fue de 1,85 bar teniendo un error de estado estable
de 0.15 bar, alejados del SP, como se puede observar en la Figura 4.
Figura 4. Grafica de tendencia de control P
Figura 5. Respuesta de control P.
El resultado del error comparado con la Figura
5, muestra que el nivel proporcional seleccionado es intermedio, no presenta
muchas perturbaciones, pero su exactitud no es alta.
Prueba de control Proporcional Integral
(PI)
En el control proporcional integral se
obtuvieron los siguientes resultados ingresando los datos Kp=50, Ti=0,1 y Td=0,
como se indica en la Figura 6.
Figura 6. Parámetros de control PI.
Al ingresar estos valores, se puede observar
el comportamiento teórico de la variable Ti, mientras más alta es el error va
disminuyendo, esto sumado con la acción proporcional Kp=50, se acerca
rápidamente al SP con menos error en el estado estable, existe aumento en la
inestabilidad del sistema, pero el sistema responde de manera rápida y exacta,
como muestra la tendencia de la Figura 7.
Figura 7. Grafica de tendencia de control PI.
El resultado del error comparado con la Figura
8, muestra que el nivel integral seleccionado es medio, no presenta muchas
perturbaciones, y mejora la exactitud sumada a la acción proporcional.
Figura 8. Respuesta de control PI.
Prueba de control PID
Para poder realizar el control PID primero se
ingresaron los parámetros de ganancia proporcional, tiempo integral y tiempo
derivativo, para que le controlador comienza a interactuar con el proceso, como
se indica en la imagen 9.
Con los parámetros ingresados el controlador
llega al set point un poco más lento que el control PI como se indica en la Figura
9, su precisión es alta, al existir ruido en el sistema, el uso de la acción
derivativa hace que aumente las perturbaciones del sistema y lo haga inestable.
Figura 9. Tendencia del proceso de control PID de presión.
Prueba de control PID con perturbaciones
Para poder realizar una perturbación en el
módulo se procede a cerrar la válvula V4 unos 45 grados aproximadamente como se
indica en la Figura 10.
Figura 10. Posición de válvula V4 para perturbación.
Con la perturbación generada se obtendrá la
gráfica de la Figura 11 en donde se puede apreciar que el valor del process
value se altera por el cierre del que detecta una perturbación y el control PID
tiende a corregir y estabilizarse después de un determinado tiempo al valor del
set point.
Figura 11. Tendencia del proceso frente a una perturbación.
El tiempo de respuesta es rápido, con una
acción proporcional alta, con bajo error. El sistema se estabiliza luego de 3s
de iniciada la perturbación, haciendo de esta variable controlada con las tres
constantes colocadas.
Prueba de control On-Off
El control On-Off prende y apaga a la bomba
cuando se aproxima al valor del set point y el resultado se puede observar en
la Figura 12.
Figura 12. Posición de válvula V4para perturbación.
Control Seleccionado.
Debido a la presencia de mucho ruido en el
sistema, hace ineficiente el uso de la contante derivativa para el PID, porque
provoca inestabilidad en respuestas a perturbaciones y en estado estacionario.
Para poder realizar el control PI primero se ingresan los parámetros de
ganancia proporcional, tiempo integral y tiempo derivativo, para que le
controlador comienza a interactuar con el proceso, para lo cual y usando el
Auto-tuning PID Control propio de Siemens, se obtuvieron los siguientes valores
de las constantes PI para la variable de proceso “Presión”:
·
GAIN: 23
·
Ti: 3.1
·
Td: 0
Una vez ingresados los parámetros del
controlador se procede a probar el funcionamiento para ello se ingresa un valor
de set point deseado, inmediatamente el controlador empieza actuar sobre el
actuador para poder llegar al valor que se desea y se lo puede observar en la
siguiente Imagen, tanto en la Pantalla de tendencias, la pantalla del P&ID
y en el transmisor se observa el valor que se ingresó en el set point, como se
indica en la Figura 13, haciendo de esta variable de procesos controlada por el
módulo.
Figura 13. Tendencia de proceso de control de presión
Conclusiones
En
el módulo didáctico se puede comprobar de forma práctica todos los conceptos de
instrumentación y control de dos variables que se investigaron y a su vez todos
los equipos y componentes que se utilizaron bajo los requerimientos técnicos
que existen a nivel industrial y del laboratorio. El módulo didáctico diseñado
en planos y con especificaciones técnicas cumple con todos los requerimientos
para el manejo de las variables de presión y caudal en la tubería.
El
módulo didáctico fue construido para el área de Instrumentación Industrial con
equipos industriales como son: PLC Siemens, Variador Siemens, Bomba, Touch
Panel Siemens y transmisor de Presión, es una alternativa de bajo costo con
prestaciones necesarias para que los estudiantes puedan realizar diferentes
prácticas en el área de control e instrumentación.
Después
de realizar las pruebas del controlador PID con todas sus variantes como son
controlador P, controlador PI y controlador PD, el controlador PI es el que
mejor desempeño cumple con la variable de Presión para lo cual se ingresaron
las constantes de Kp= 23, Ti=3.1 y Td =0 y con ello el valor de la variable del
proceso llega al set point deseado sin tener oscilaciones ni sobre impulsos y
un tiempo de establecimiento menor a los segundos a 3 segundos, con una
respuesta rápida y estable.
Al
implementar las estrategias de control, el control On-Off para este tipo de
procesos rápidos no fue muy eficiente ya que los elementos de control final se
prenden y apagan con muchas interacciones lo que puede conllevar a que los
equipos se puedan quemar más rápido.
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