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DESCRIPCION DE LA PRÁCTICA
En esta práctica usted aprenderá a utilizar la función de control PID del PLC delta, utilizando
una pantalla HMI DOP- B07E415, un PLC DVP-12SA, un modulo especial para entradas analógicas
DVP-04TC (para temperatura) y un kit de resistencias y termopares para realizar un control de
temperatura. Empezaremos por describirle que es un control PID y cuál es su funcionamiento, así
como los diferentes aparatos que utilizara para esta práctica, sus conexiones y explicaremos como
realizar la programación del PLC y de la pantalla HMI.
¿QUE ES UN PID? Un PID es un mecanismo de control por realimentación que calcula la desviación o error entre un
valor medido y el valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el
proceso. El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el
integral, y el derivativo. El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral genera
una corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de
control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del
tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al
proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía
suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres variables en el algoritmo de control
del PID, el controlador puede proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a realizar.
La respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta del control ante un error, el
grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de oscilación del sistema. Nótese que el
uso del PID para control no garantiza control óptimo del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas
aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de control. Un
controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de control
respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy
sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al valor deseado
debido a la acción de control.
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FUNCIONAMIENTO
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se necesita, al menos:
1. Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro, caudalímetro, manómetro, etc.). 2. Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador. 3. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada (resistencia eléctrica, motor,
válvula, bomba, etc.). El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la cual representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La señal puede representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad de corriente eléctrica o frecuencia. En este último caso la señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores, que también pueden ser con corriente continua.
El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser entendida por un humano, habrá que establecer algún tipo de interfaz (HMI- Human Machine Interface), son pantallas de gran valor visual y fácil manejo que se usan para hacer más intuitivo el control de un proceso.
El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna, obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado (consigna) y el valor medido. La señal de error es utilizada por cada uno de los 3 componentes del controlador PID. Las 3 señales sumadas, componen la señal de salida que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La señal resultante de la suma de estas tres se llama variable manipulada y no se aplica directamente sobre el actuador, sino que debe ser transformada para ser compatible con el actuador utilizado.
Las tres componentes de un controlador PID son: parte Proporcional, acción Integral y acción Derivativa. El peso de la influencia que cada una de estas partes tiene en la suma final, viene dado por la constante proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo, respectivamente. Se pretenderá lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el mínimo tiempo posible los efectos de las perturbaciones.
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EL PLC DVP-12SA
CARACTERISTICAS: En comparación con el estándar PLC Delta, es delgado y compacto serie SA
ofrece una mayor capacidad de operación y eficiencia del programa.
ESPECIFICACIONES:
‧ Puntos MPU: 12
‧ Max. I / O: 236 puntos
‧ Capacidad de programación: 8K pasos
‧ Puerto de comunicación: Puerto RS-232 y RS-485, compatible con MODBUS ASCII / RTU
protocolo de comunicación
‧ Alta Velocidad de salida de impulsos: Soporta 2- puntos independientes de alta velocidad de salida
de pulso (Y0 de hasta 50KHz y para Y1 de hasta 10 KHz).
‧ Built-in contador de alta velocidad de ancho de banda * se refiere al máximo rango de conteo de un
contador individual.
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- PID / On-Off / Entradas manuales y modos de control programables ‧ 2 grupos de 2 salidas para el ajuste automático de los grupos de parámetros PID
MODULO DE EXPANSIÓN DVP-04TC ‧ Capaz de conectarse a varios termopares (B, E, J, K, L, N, R, S , T, U, TXK), el platino RTD (PT100, JPt100), corriente analógica (0 ~ ‧ 20mA, 4 ~ 20mA) y la tensión lineal (0 ~ 5V, 0 ~ 10V) ‧ Máximo 2 grupos de interruptores de alarma están disponibles, con 12 modos de alarma cada estado de la pantalla LED ‧ ‧ Celsius o Fahrenheit indicación de temperatura ‧ Puerto RS-485 interfaz de comunicación (Modbus ASCII, RTU, velocidad de transmisión: 2.400 ~ 38.400) ‧ Tiempo de muestreo de RTD termopar / platino: 0,4 segundos / hora , el tiempo de muestreo de entrada analógica: 0,15 segundos / hora ‧ El controlador lógico programable es capaz de crear 64 grupos de control de temperatura y tiempo. ‧ 3 niveles de protección por contraseña; ahorro de cable, ajuste de protocolo de comunicación sincrónica, ajuste de ID automática.
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PANTALLA HMI DOP-B07E415
ESPECIFICACIONES: 7 "(800 x 480 píxeles) TFT LCD de 65.536 colores
‧ 3 series de puertos COM, apoyar RS232 / RS422 / RS485
‧ Para la transferencia de datos / descarga: RS232, USB, Ethernet
‧ Compatible con USB Host, conexión directa a disco USB, una impresora y el ratón
‧ Soporta tarjetas SD
‧ Soporta Ethernet
‧ Soporta salida de audio (MP3, WAV)
‧ pantalla táctil cumple con IP65
‧ Soporta horizontal / vertical pantalla
‧ Edición de software, DOPSoft es compatible con los sistemas operativos: Windows XP, Windows
Vista, Windows 7
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KIT DE RESISTENCIAS Este kit de cuatro resistencias eléctricas industriales nos puede servir para simular maquinas donde
se requiera temperatura, cada resistencia cuenta con un termopar tipo J con lo que podemos revisar
la temperatura a la que se encuentra cada resistencia.
TERMOPAR
Un termopar (también llamado termocupla) es un transductor formado por la unión de
dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia
de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida
y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia. En Instrumentación industrial, los
termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos,
intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de
temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a
un grado Celsius son difíciles de obtener.
Tipo J (Hierro / Constantán): Su rango de utilización es de -270/+1200°C. Debido a sus
características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o en vacío, su uso
continuado a 800°C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rápida oxidación que
sufre el hierro por encima de 550°C y por debajo de 0°C es necesario tomar precauciones a causa
de la condensación de vapor de agua sobre el hierro.
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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA CONEXIONES:
1 FUENTE DE ALIMENTACION DELTA DVPS01 24V
2 PLC DVP-12SA
3 MODULO DE EXPANSION DVP-04TC ESPECIAL PARA TEMPERATURA
4 RELEVADORES TIPO CLEMA A 24V- 250V PARA CONECTAR LAS SALIDAS
5 CLEMA PORTAFUSIBLE 110V
6 CLEMAS DE CONEXIÓN (PARA ENTRADAS ANALOGICAS)
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DESCRIPCIÓN DE CONEXIONES: Como se puede apreciar en la imagen se tienen 2 clemas al iniciar las conexiones a las que se les
conecta la fase y el neutro (es el cable de la clavija). De ahí se toman para alimentar la fuente, que
nos proporcionara 24v y la tierra física que son los que necesita el PLC, el modulo de expansión y la
pantalla HM1 para trabajar, en la imagen se puede detectar que a los 2 primeros tornillos llegan la
fase y el neutro de corriente alterna y los 3 tornillos de abajo son la salida de la fuente: Tierra, 24v y
0v en ese orden, también se aprecia como un grupo de cables Verde (tierra), Rojo (24v) y Negro (0v)
y son conectados al PLC y al modulo de expansión y se aprecian en la parte de abajo los que van a
conectarse a la pantalla.
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Del PLC y del modulo de expansión salen las conexiones hacia las clemas, se puede apreciar a
continuación como de la sección de salidas del PLC un grupo de cables llega y se conecta a los
relevadores tipo clema, y las salidas de estos pasan a las clemas porta fusibles, estas
acompañadas por una línea de la corriente alterna que se puentea para todas las salidas del PLC en
esta parte se tiene conectada a Y0 una resistencia que será la única que se utilizara para la
práctica.
Por su parte en el modulo de expansión se conecta a “L+” y “L-” de los cuatros canales que tiene y
estos cables se conectan a las clemas de la parte derecha de la imagen. En estas últimas es donde
se conectaran las entradas analógicas que se desean leer y aquí se tiene conectado el termopar
(tipo J) de la resistencia número uno, para así nosotros poder monitorear la temperatura a la que se
encuentre esta, y poder realizar el control.
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FUNCIONES DEL PLC
Cuando Módulos Especiales como el DVP-04TC son conectados al PLC, los módulos son numerados de 0 ~ 7. “0” es el más cercano y “7” el más lejano. 8 módulos son el máximo y no ocupan ninguna Entrada o Salida Digital del PLC, los módulos de entradas y salidas digitales no cuentan como parte de estos 8. API 88 PID PID Control Loop. S1: Establecer el valor.
PID D0 D6 D200 D1 S2: Valor actual. S3: Parámetro. S1 S2 S3 D D: Valor de salida.
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GPWM
GPWM D1 D10 Y0
D1: Lectura del valor de salida del PID. D10: Parámetro. Y0: Salida que vamos a encender.
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PROGRAMACION DEL PLC Para realizar la programación para el control PID de temperatura necesitaremos las funciones especiales PID y GPWM que se describieron anteriormente. El primer paso es inicializar el programa con la bandera M1002 direccionada a un contacto pulso de subida, el cual activará algunas instrucciones que sirven para configurar el plc y el módulo especial de temperatura.
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Al configurar la instrucción PID, en el campo S3 pondremos el registro D200, aquí se utilizan 20 registros consecutivos para definir los parámetros de control PID, esto quiere decir que automáticamente se utilizarán desde el registro D200 (S3) hasta el registro D219 (S3+19). Movemos el valor K300 al registro D200 (S3) para configurar el tiempo de muestreo (Sampling Time). Movemos el valor K3000 al registro D20 que utilizaremos en la instrucción GPWM para indicar que cada 3000ms realice el encendido de las resistencias el tiempo calculado por PID (D: output value). Con la instrucción TO lo que haremos es configurar el módulo especial de temperatura enviando valores a los Registros de Control (CR). El primer registro a configurar es el CR#1 en el que se elige el tipo de termopar a utilizar, en este caso es del tipo J. En la tabla de Registros de Control se explica a detalle los bits correspondientes a cada canal y los valores que debes enviar según el tipo de termopar. Nosotros enviamos el valor K0 para que el canal 1 (y todos los demás) estén ajustados al tipo J. También enviamos el valor K2 al CR#2. Este CR se utiliza para indicar el número de muestras tomadas para dar el valor promedio en el canal uno. Al CR#29 enviamos el valor Hexadecimal H5678, que sirve para habilitar el Modo PID en el módulo de temperatura. Lo siguiente que haremos es utilizar la bandera M1000 junto con la instrucción FROM para siempre leer el valor promedio presente en el canal 1 y mostrarlo en el registro D11. Y en paralelo una instrucción MUL para traducir la temperatura deseada a un valor q el plc interprete de manera correcta. Solo multiplicar por 10 el valor dado (D100) y guárdalo en el registro D101 (que es el registro que PID utiliza como valor deseado).
El siguiente paso es activar el Auto-Tuning. Se utiliza para configurar automáticamente los registros S3+1, S3+2 y S3+3 (Ganancia Proporcional, G. Integral y G. Derivativa) con los valores que determine el módulo.
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Esto se realiza de una manera sencilla, moviendo el valor K3 al registro S3+4 (en este caso registro D204) con la ayuda de un contacto pulso de subida vinculado a M0. Cuando el cálculo de auto-tuning esté terminado, esté cambiará su valor automáticamente a K4.
Pondremos un contacto Abierto vinculado a M1 conectado a la instrucción PID. D101 es el valor de temperatura deseada, D11 es el valor promedio actual de temperatura, D200 es el primer registro que se tomará en cuenta para modificar parámetros y D0 es el valor de salida. En paralelo colocamos la instrucción GPWM, donde D0 es el valor que nos entrega PID, D20 indica cada cuanto tiempo realizará el encendido de las resistencias con el tiempo calculado por PID (D: output value D20) y Y0 es la salida que activará.
El programa completo quedará de la siguiente manera:
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PANTALLA HMI A continuación se presenta una posible solución a la programación de la pantalla, usted puede
realizar su programación de la manera que más le agrade o se le facilite, esto solo es un ejemplo y
en él se utilizan funciones comunes con las que ya estará familiarizado si ya realizo prácticas
anteriores.
En nuestro ejemplo solo utilizamos tres pantallas como se describe a continuación:
PANTALLA DE PRESENTACIÓN
Pantalla de inicio y presentación Esta pantalla nos sirve de presentación del programa, esta solo aparecerá al encender la máquina y solo funcionara hasta darle un toque a la pantalla, al hacerlo te mandara al menú. Para lograr esto tienes que crear una boton Goto Screen de toda la pantalla y sobre el colocar la imagen de presentación, como la que se muestra en la parte de arriba, este boton direcccionarlo a la pantalla de menu y listo.
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SEGUNDA PANTALLA
En este ejemplo de posible solución la segunda pantalla es la principal del programa, desde esta se puede monitorear la temperatura actual que muestra el termopar de la resistencia, se puede observar cuando está encendida la resistencia y cuando apagada, desde esta misma pantalla inicias el control PID y realizar el Auto Tuning, te muestra el resultado del PID y tiene un botón que te manda a la pantalla de configuración de temperatura. DESCRIPCIÓN: Se colocaron dos botones ON/OFF el primero direccionado a M1 del programa del PLC, este nos servirá para poder iniciar el control PID, el segundo direccionado a M0, este tendrá la función de accionar el auto tuning, (para identificarlos puedes ponerle un cuadro de texto indicando su función como se ve en el ejemplo). Se coloco también un botón GOTO SCREEN que se utiliza para llevarnos a la pantalla de configuración de temperatura. Para poder revisar cuando la resistencia esta encendida, se coloco un indicador multiestado y se direcciono a la salida Y0 del PLC, así cuando la resistencia está apagada se muestra la imagen de una lámpara apagada y cuando se enciende la resistencia se cambia a una imagen con una lámpara encendida. También se colocaron dos display numéricos, el primero se direcciono al registro D0 del PLC y tiene la función de indicar el resultado del PID, el segundo se direcciono al registro D11, y en este podemos observar la temperatura actual que tiene la resistencia.
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TERCER PANTALLA
En la tercer pantalla se puede apreciar una entrada numérica la cual esta direccionada al registro D100 del PLC, en este podemos indicar la temperatura que se desea sea alcanzada. En la parte inferior derecha se puede observar un botón con la imagen de una casa, este es un botón GOTO SCREEN que está configurado para que te regrese a la pantalla anterior
