DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SCADA PARA LA PLANTA DIDÁCTICA PS-2180

REINALDO JÚNIOR SÁNCHEZ PEÑA LUÍS GABRIEL BENAVIDES ARIAS

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2006

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SCADA PARA LA PLANTA DIDÁCTICA PS-2180

REINALDO JÚNIOR SÁNCHEZ PEÑA LUÍS GABRIEL BENAVIDES ARIAS

Pasantia para optar el título de Ingeniero Mecatrónico

Director JOSE IGNACIO PEREZ CHAPARRO

Ingeniero Electricista

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2006

Nota de aceptación: Aprobado por el comité de grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar el titulo de Ingeniero Mecatrónico Ing. JIMMY TOMBÉ ANDRADE Jurado Ing. JUAN CARLOS MENA Jurado

Santiago de Cali, 22 de Junio de 2006

CONTENIDO

Pág.

RESUMEN 10 INTRODUCCIÓN 11 1. OBJETIVOS 12 1.1. OBJETIVO GENERAL 12 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 12 2. PLANEACIÓN DEL PROYECTO 13 2.1. DESCRIPCION DEL SISTEMA PS-2180 13 2.1.1. Planta PS-2180/2 13 2.1.2. Adquisición De Datos 18 2.1.3. Software 20 2.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 22 2.3. IDENTIFICACIÓN DE NECESIDADES 23 2.4. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS 24 2.5. ANTECEDENTES 25

3. PROBLEMAS ENCONTRADOS 26 3.1. UNIDAD PS-2180/2 26 3.2. SOFTWARE 27 4. GENERACIÓN DE CONCEPTOS 29 4.1. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL 29 4.1.1. Caja Negra 29 4.1.2. Refinamiento En Bloques De Subfunciones 30 4.1.3. Rama Crítica y Desglose De Una Subfunción 30 4.2. GENERACIÓN DE CONCEPTOS PARA SUBFUNCIONES 31 4.2.1. Sensar y Acondicionar 31 4.2.2. Adquisición De Datos 31 4.2.3. Interfaz 32 4.3. COMBINACIÓN DE CONCEPTOS 32 4.3.1. Concepto A 33 4.3.2. Concepto B 33 4.3.3. Concepto C 34 5. SELECCIÓN DE CONCEPTOS 35

5.1. MATRIZ DE TAMIZAJE 35 6. DESARROLLO DE LA ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 37 6.1. ANALISIS DE LA ARQUITECTURA DE LA PLANTA 37 6.2. ESQUEMA DE LA PLANTA 38 6.3. DISTRIBUCIÓN GEOMÉTRICA 39 6.4. ARQUITECTURA DEL SISTEMA ELECTRONICO 39 7. DISEÑO INDUSTRIAL 40 7.1. VALORACION DEL DISEÑO INDUSTRIAL 40 8. PROTOTIPADO 42 8.1. PROTOTIPOS 42 8.1.1. Software 42 8.1.2. Unidad PS-2180/2 45 9. CONCLUSIONES 46 BIBLIOGRAFIA 47 ANEXOS 48

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Descripción de la planta didáctica PS-2180 13 Figura 2. Diagrama de proceso de la planta didáctica PS-2180 15 Figura 3. Medición de flujo a través de presión diferencial 15 Figura 4. Medición de flujo a través de un transductor de paleta 16 Figura 5. Circuito electrónico del transductor de paleta 17 Figura 6. Presentación del software original 20 Figura 7. Teoría del software original 21 Figura 8. Cuestionario del software original 21 Figura 9. Práctica del software original 22 Figura 10. Problemas del software original (1) 27 Figura 11. Problemas del software original (2) 28 Figura 12. Diagrama de caja negra 29 Figura 13. Descomposición funcional 30 Figura 14. Rama crítica de subfunciones 30 Figura 15. Interacciones entre elementos físicos y funcionales 37 Figura 16. Esquema general del producto por bloques funcionales 38 Figura 17. Distribución espacial de los diferentes bloques funcionales 39 Figura 18. Orientación del producto 41 Figura 19. Primer análisis de software 42 Figura 20. Segundo análisis de software 43 Figura 21. Tercer análisis de software 43 Figura 22. Catalogo 44

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Necesidades identificadas 23 Tabla 2. Especificaciones técnicas 24 Tabla 3. Unidades subjetivas 24 Tabla 4. Unidades binarias 24 Tabla 5. Tabla de combinación de conceptos 32 Tabla 6. Matriz de tamizaje 35 Tabla 7. Evaluación general de calidad del diseño industrial 40

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo 1. Instructivo instalación de software 48 Anexo 2. Referencia matriz de tamizaje 52 Anexo 3. Plano eléctrico 61 Anexo 4. Paper 62

RESUMEN En este documento se presenta el proceso de diseño e implementación del software de entrenamiento y el acondicionamiento de señales de una planta didáctica de presión, nivel y flujo. Además se muestra los problemas y necesidades encontrados en el transcurso del proyecto. El proceso empieza con la descripción general de la planta y su funcionamiento. Luego se inicia la búsqueda de las necesidades que se deben satisfacer para el óptimo desempeño del sistema. Dichas necesidades se buscaron mediante grupos de enfoque, observando plantas similares y en general teniendo en cuenta el problema que se presenta en este tipo de plantas didácticas. Luego de tener las necesidades claras, se procede a realizar el planteamiento del problema de forma general para posteriormente realizar un desglose donde se muestra de forma puntual las fallas detectadas tanto en el hardware como en el software.

INTRODUCCION En la actualidad la competitividad es una de las principales características que debe tener una empresa pues es la que permite su sostenimiento y evolución. La gran mayoría de industrias Latinoamericanas y específicamente las de nuestro país, carecen de esta característica; por lo tanto no están en capacidad de competir en los Mercados Internacionales, tanto en cantidad como en calidad. Todo esto se debe a la utilización de maquinaria con tecnología desactualizada lo cual genera un rendimiento mínimo y poca homogeneidad en los bienes producidos. Cambiar esta realidad puede ser muy difícil, sobre todo por los costos; Sin embargo existen soluciones viables para que cada industria, aprovechando sus propias máquinas y equipos, implemente una automatización acorde a sus condiciones. Gran parte de la solución se encuentra en los establecimientos educativos, los cuales deben convertirse en semilleros de tecnología, este caso en particular se presenta en el laboratorio de sensores y transductores del SENA (Cali- Valle) donde se realizará la actualización de la interfaz gráfica de la planta didáctica PS-2180 de la empresa DEGEM SYSTEMS la cuál sirve para el entrenamiento en mediciones de presión, flujo y nivel. Además de la interfaz, se realizara acondicionamientos de las señales de los distintos sensores para lograr un buen rendimiento.

11

1. OBJETIVOS 1.1. OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar un sistema de supervisión y adquisición de datos que permita el estudio y análisis de los variables presión, nivel y flujo de la planta PS-2180 del laboratorio de sensores y transductores (SENA SANTIAGO DE CALI).

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Diseñar la interfaz grafica para la planta didáctica PS-2180 Diseñar los acondicionamientos de señal para los sensores de

presión, nivel, y flujo. Elaborar los materiales técnico-pedagógicos necesarios para

realizar la formación.

12

2. PLANEACION DEL PROYECTO 2.1. DESCRIPCION DEL SISTEMA PS-2180 En el laboratorio de sensores y transductores del SENA se encuentran diversos equipos utilizados para la enseñanza en la medición de variables que comúnmente se observan en los procesos industriales; uno de ellos es el sistema PS-2180 que ofrece al estudiante conocimientos básicos de medida de caudal y nivel de liquido (H2O) y está conformado por: adquisición de datos, planta PS-2180/2 y software como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Descripción de la planta didáctica PS-2180

Software

Planta PS-2180/2 Adquisición De datos

2.1.1. Planta PS-2180/2. Esta posee varios elementos que son fundamentales para su correcto funcionamiento, y se mencionaran en el orden de la trayectoria del líquido (Figura 2). Comienza con una bomba centrifuga que toma el agua de un tanque de almacenamiento el cuál tiene en su interior un sensor magnético que es llamado alarma de bajo nivel e indica la ausencia de agua (lo que podría dañar la bomba). Posteriormente con la manipulación de una válvula (HV1) se permite el paso del agua al circuito de tuberías donde se encuentra primero con la

13

válvula antiretorno, que como su nombre lo dice no permite que el agua regrese a la bomba, luego el agua pasa por un filtro donde se quedan las partes sólidas ó impurezas de la misma, a continuación esta el transductor de paleta (FT) que se encarga de la medición del flujo, y continua con el elemento llamado orificio (FE) que se encarga de generar un diferencial de presión que es tomado por un sensor piezorresistivo (PDT) para la medición de caudal; siguiendo con el sistema de tuberías que luego se divide en dos; por un lado se llega al tanque de nivel por medio de la válvula (HV3), en este tanque se encuentra el transductor capacitivo (LT1) encargado de la medición del liquido, que se visualiza en una regla métrica (LI) y, por el otro lado el liquido retorna al tanque de almacenamiento por medio de la válvula (HV2). En la parte inferior del tanque de nivel se encuentra la válvula (HV4) que se encarga de drenar el agua hacia el tanque de almacenamiento. También se encuentra un sistema de medición de nivel hidrostático (LS2); para tanques cerrados como para tanques abiertos, en el último caso se utiliza la válvula HV5 con el fin de manipular el tubo de derivación. En la parte superior se encuentran los siguientes elementos: HV6 y HV7 Permiten colocar el tanque cerrado o abierto a la atmósfera, RV Válvula de alivio, en caso de sobrepresiones, PS Alarma de sobrepresión, PT Transmisor de presión del aire atrapado en el tanque de nivel, PI Indicador de presión (Manómetro), LS2 Alarma de sobrenivel; impide que se produzca un desborde.

14

Figura 2. Diagrama de proceso de la planta didáctica PS-2180

En el caudal se usan dos magnitudes físicas para la medición, que son: presión (diferencial): cuando el flujo de líquido en un tubo pasa por un estrechamiento se produce una pérdida de presión por causa de rozamiento en las paredes del tubo y en el líquido mismo. En esta planta se utiliza el sistema placa-orificio (Figura 3) con el fin de crear dicha pedida de presión; este sistema consiste en una placa perforada instalada en la tubería. Dos tomas conectadas en la parte inferior de la placa, situadas antes y después del estrechamiento producen una diferencia de presión la cual es leída por un sensor piezorresistivo (MPX-2010) que produce un voltaje de 25 mV equivalente a una presión de 0.1 Bar. Figura 3. Medición de flujo a través de presión diferencial

15

La ecuación que describe la relación entre el diferencial de presión (∆p) y el caudal (q) es la siguiente:

)1(*min)/( PKlitq ∆= Velocidad de flujo: la rueda de paleta es uno de los métodos más sencillos de medir caudal de líquido. La construcción de la paleta se muestra en la figura 4. El principio de operación es sencillo. Se dirige un chorro de líquido hacia una turbina libre ubicada en una cámara especialmente diseñada. La tasa de rotación de la turbina es directamente proporcional al caudal, y el número total de revoluciones es proporcional a la cantidad de líquido que pasa por la turbina. Figura 4. Medición de flujo a través de un transductor de paleta

La rotación de cada uno de los alabes de la turbina corta un haz de luz infrarroja. La luz es ocultada a una frecuencia detectada por un circuito electrónico, que genera una señal eléctrica correspondiente al caudal. El diagrama en bloques del circuito electrónico se muestra en la siguiente Figura.

16

Figura 5. Circuito electrónico del transductor de paleta

El transductor de paleta del sistema de entrenamiento PS-2180 puede medir caudales de liquido de hasta 6.5 [l/min.]. La frecuencia de salida del tren de pulsos producido por este caudal es 500 [Hz]. El transductor posee un conversor F/V (Frecuencia a tensión) que convierte la frecuencia del tren de pulsos en una tensión de CC de entre 0 y 10 (V). A un caudal de 6.5 l/min. se produce una tensión de 10(Vcc). La siguiente ecuación nos permite calcular el caudal en función de la frecuencia de salida:

)2(500

min)/(5.6*min)/(Hz

litflitq =

Las magnitudes físicas usadas para medir el nivel de líquido son: Presión (diferencial): se utiliza un sensor de presión piezorresistivo entre 0 y 0.1 bar. Para medición del nivel por presión diferencial en un tanque de agua. El sensor mide la diferencia entre la presión constante de una columna de agua y la presión variable del tanque de nivel. Una variación de nivel en el tanque producirá una variación lineal de voltaje a la salida del sensor. La relación de nivel en función de la diferencia de presión se expresa en la siguiente ecuación:

)3(* PKH ∆=

17

Capacitancia: en este sistema se utilizan dos electrodos sumergidos en un tanque de agua que constituyen un capacitor cuya capacitancia es usada como medidor de nivel. Un electrodo (la placa positiva) esta cubierto con un material aislante (dieléctrico) y otro electrodo que junto con el agua (como elemento conductor) constituye la placa negativa. La capacitancia, por lo tanto, es directamente proporcional a la variación de nivel del agua H ∼ C. Los valores de capacitancia son convertidos en valores de voltaje por medio de un circuito electrónico para ser medidos y calibrados en unidades de cm. de altura. Dos clases de medidas son efectuadas durante el experimento en el nivel de agua:

- Medida de nivel de agua de un tanque abierto a la atmósfera.

- Medida de nivel de agua de un tanque con aire comprimido. 2.1.2. Adquisición de Datos. Esta parte esta conformada por tres unidades que son: - PU-402. Permite que el computador lea y escriba señales analógicas y digitales a través de su puerto serial RS-232. Todas las entradas y salidas están protegidas contra tensiones de un máximo de 24 V y Contra cortocircuito. La unidad incluye también un transmisor de 4 a 20 mA y un convertidor de corriente a tensión para experimentos de control de procesos. La unidad tiene también ocho entradas analógicas multiplexadas a un D/A y dos salidas A/D de alta resolución debido a su convertidor de datos de 12 bits. Los puertos de salida de ocho bits (D0-D7), son de nivel TTL, pero pueden ser usadas como drivers de colector abierto, para dispositivos de alimentación hasta de 24 V, así como los relés.

18

El Terminal de entrada al relay suplí voltaje conecta un diodo de supresión a la alimentación del relé, como protección contra problemas asociados con cargas inductivas. - PS-2001. Esta compuesta por dos partes fundamentales:

Tres fuentes de alimentación: Una de ± y + 5V que alimentan dos bastidores para operar la

unidad PU-402 y tres unidades enchufables. Dos de 15 V para el horno de calefacción y enfriamiento (de la

planta de temperatura). Una de tensión variable de 20-218 V CA que controla la bomba

de agua del PS-2180.

Tres circuitos de control: Circuito de control para el horno de calentamiento/enfriamiento

(planta de temperatura). Circuito de control de temperatura ambiente (planta de

temperatura). Circuito de control para la bomba de agua PS-2180. Un circuito

de control de fase usa una entrada de tensión variable entre 0 V y 10V CC, que suministra 9%-95% de su salida de tensión máxima (230 V CA) a la bomba de agua del PS-2180.

- PS-2180/1. En el panel de esta unidad, hay cinco salidas de transmisores (Presión, Nivel Hidrostático, Nivel Capacitivo, Caudal de Orificio y Caudal de paleta), tres salidas de alarma (nivel ato, bajo y alta presión) y un circuito PI de control. Todas las entradas y salidas provienen de la unidad PS-2180/2 a través de un cable con conector tipo D de 25 púas.

19

2.1.3. Software. El sistema PS-2180 tiene un programa de interacción con el usuario, en base a pantallazos; posee varios iconos entre los que están dos flechas, la una de avance y la otra de retroceso, un icono de salida, otro para ir al menú de lecciones entre otros. La aplicación de forma general está estructurada de la siguiente manera: un primer pantallazo como se muestra en la figura 6 en donde se enumeran las ocho lecciones posibles, que el estudiante puede escoger. Figura 6. Presentación del software original

A su vez cada lección se compone de tres partes fundamentales: -Teoría. Parte donde se expone los fundamentos físicos en los que esta soportada la práctica (formulas, teoremas etc.), además del conocimiento de los elementos involucrados en la misma. Por ejemplo de la lección del transductor hidrostático:

20

Figura 7. Teoría del software original

- Cuestionario. Esta parte del programa es la encargada de evaluar el conocimiento adquirido en la primera fase de la lección. Siguiendo con el ejemplo de la lección del transductor hidrostático: Figura 8. Cuestionario del software original

21

- Práctica. Su objetivo es obvio, poner a prueba los conocimientos adquiridos en las dos fases anteriores; colocando en funcionamiento el transductor; y observando sus características estáticas (Rango, alcance, exactitud, fidelidad etc.). En esta parte se expone como hacer las conexiones eléctricas, como también la disposición de las válvulas en la planta PS-2180/2; también se muestra un subprograma denominado display donde se muestran las distintas alarmas y otras opciones como calibración del transductor, setpoints, graficas entre otras (figura 9). Figura 9. Práctica del software original

2.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La planta didáctica PS-2180 del laboratorio de sensores y transductores del SENA (Cali) cuenta con un sistema SCADA (sistema de supervisión y adquisición de datos) cerrado el cual no brinda posibilidades de desarrollo y actualización. Algunos de los sensores y acondicionamiento de señal requieren de adecuación y dificultan la medida. El material didáctico asociado a la medición de cada variable requiere de actualización lo mismo de las preguntas que cubren el final de cada

22

tema. Con el proyecto se pretende cubrir la necesidad de acondicionamiento y adquisición de la medición de variables: presión, nivel y flujo de la planta didáctica PS-2180 del laboratorio de sensores y transductores. 2.3. IDENTIFICACIÓN DE NECESIDADES Las necesidades expuestas a continuación, se generaron a partir del análisis del sistema PS-2180 tanto en hardware como en software, y también de entrevistas con los instructores encargados del laboratorio de sensores y transductores. Tabla 1. Necesidades identificadas

# Necesidades Imp. 1 El software debe tener un ambiente de autoaprendizaje. 4 2 El software debe ser interactivo, dinámico y de fácil manejo. 5 3 El software debe proporcionar enlaces de documentación

referente a la práctica. 4

4 Los transductores de la planta deben generar señales adecuadas que permitan el buen funcionamiento del sistema.

5

5 El software debe generar seguridad en los conocimientos cuando el estudiante realice las prácticas.

5

6 El software debe trabajar con un rango adecuado a la señal generada por los transductores.

5

7 El software debe ser de fácil instalación. 4 8 Los elementos electromecánicos que conforman la planta y

presentan desgaste deben ser remplazados. 5

9 El sistema debe indicar la advertencia de un mantenimiento preventivo.

4

23

2.4. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Con las necesidades identificadas previamente se encontró parámetros cuantificables que sirvieron para comprender de mejor manera la situación de la planta. Tabla 2. Especificaciones técnicas

# # NC METRICAS IMP. UNIDADES VALOR 1 2,7 Facilidad de programación 5 Subj. 1 4 2 8,9 Vida útil 4 Subj. 3 3 3 4,5,6 Confiabilidad del sistema 5 Subj. 3 4 4 4,6 Precisión 5 Binario 1 5 1,2,3,4 Funcionalidad 5 Subj. 2 5 Tabla 3. Unidades subjetivas

Subj1: Subj2: Subj3 Equiv.

Muy Fácil Muy Didáctico Muy buena 5

Fácil Entendible Buena 4

Medio Poco entendible Normal 3

Difícil Difícilmente entendible Mala 2

Muy Difícil No se entiende Muy Mala 1

Tabla 4. Unidades binarias

BINARIO Equiv.

Tiene 1

No Tiene 0

24

2.5. ANTECEDENTES Debido a los altos costos que representa actualizar equipos de entrenamiento industrial, en muchas instituciones se ha optado por utilizar recursos propios incluyendo el recurso humano, para no desechar la maquinaria, sino actualizarla y ponerla a punto con el fin de afrontar las nuevas exigencias y retos. El SENA en su larga trayectoria se ha destacado, en la formación de personas idóneas en el conocimiento de procesos industriales, haciendo gran énfasis en la parte práctica, generando experiencia para afrontar los retos de los nuevos tiempos. El acondicionamiento de la planta PS-2180 es un ejemplo de esto, en si posee un buen método de enseñanza, pero con el tiempo se ha visto afectado, ya que los componentes electrónicos se descompensaron y por eso los cálculos realizados en el software son erróneos.

25

3. PROBLEMAS ENCONTRADOS

3.1. UNIDAD PS-2180/2 Esta unidad, tiene muchos elementos electromecánicos; los cuáles tienen una vida útil, dependiendo del uso y del mantenimiento que se les efectúe; este mantenimiento no ha sido realizado como el fabricante lo recomienda (cada 15 días); es mas desde que se adquirió solamente se realizó en contadas ocasiones; por tal razón se encontraron las siguientes fallas: - Deterioro de tubos metálicos que empalman la placa orificio y las mangueras que van al sensor piezorresistivo (MPX-2010). Estos tubos debido a la constante humedad perdieron su recubrimiento y se oxidaron, lo que hizo que se taponara el conducto impidiendo así enviar la señal de presión diferencial hacia el sensor. - Perdida de presión en la línea de caudal a causa de: * Acumulación excesiva de partículas en el filtro. * Mal funcionamiento de la válvula antiretorno por perdida de elasticidad. - Fugas de aire en la compresión del sistema, como consecuencia del desgaste en la rosca del elemento de sujeción del interruptor de nivel alto, como también el cambio de elasticidad de las mangueras. - Medición errónea de nivel con el transductor capacitivo debido a la pérdida del aislamiento en uno de los electrodos. Se presento deterioro del recubrimiento aislante, lo que permitió la filtración de agua.

26

3.2. SOFTWARE Figura 10. Problemas del software original (1)

En la figura anterior se observa el aspecto rígido del software, que hace que el estudiante no centre toda su atención, tiene iconos que siempre están inactivos y tiene una ayuda en ingles. Por otra parte existen lecciones en las cuales hay demasiado texto, y no hay secciones donde se pueda interactuar con el sistema. - Fase teórica Limitación en los temas tratados. Con estos se pretende que el estudiante explore varias alternativas, pero no lo esta logrando; como por ejemplo en la medición de nivel, solo se hace énfasis en los transductores utilizados en la planta (capacitivo e hidrostático) y no hace referencia a otros que son de mejor desempeño y actualmente se utilizan en pequeñas y grandes industrias.

Ayuda

Salida

Lecciones

Avance

Calculadora

Botones Inactivos

Retroceso

Notas

Impresión

27

- En la fase práctica (Figura 11) la principal falla se encuentra en la parte de registro de datos en las tablas, por que el margen de incertidumbre establecido en el programa es muy pequeño y por esto el sistema en ocasiones no acepta los datos ingresados. Figura 11. Problemas del software original (2)

- Un gran inconveniente que presenta este programa es que el instalador tiene fallas debido a que sus archivos están en discos flexibles; algunos ya deteriorados y no se tenía una copia de seguridad.

28

4. GENERACIÓN DE CONCEPTOS Para visualizar y comprender más a fondo el problema, se ordenó en funciones para facilitar la obtención de la rama crítica; a partir de este punto se generaran los conceptos mediante la búsqueda interna (grupo) y externa (Internet, entrevistas) de información. 4.1. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL En el diagrama se muestra el problema como una caja negra con algunas entradas y salidas, que ayuda a dimensionar el problema par facilitar su comprensión; para luego realizar una descomposición funcional. 4.1.1. Caja Negra. La caja negra como lo indica la figura 12 representa las funciones generales del producto, como el abastecimiento de energía, las diversas señales de funcionamiento y control; y además la función final del producto. Figura 12. Diagrama de caja negra

ENTRADAS SALIDAS

PLANTA PS-2180

Energía (?) Energía (?) Material (?) Material (?)

Señales (?) Señales

29

A continuación, y como consecuencia de la caja negra procedemos a hacer subfunciones, con las cuales lograremos trabajar de una mejor manera para desarrollar así soluciones optimas para el problema. 4.1.2. Refinamiento en bloques de subfunciones Figura 13. Descomposición funcional

Aceptar energía E t

Alimentar el sistema

Convertir energía

Fluir por tuberías

Energía (Eléctrica)

Señales (Sensores y

datos)

Material(Agua)

Accionar transductores

Adquisición de datos

Sensar y Acondicionar

señal

InterfazMedición de:

Presión Nivel

Y Flujo

4.1.3. Rama Crítica y Desglose de una Subfunción. Para realizar un análisis mas detallado se seleccionaron las subfunciones mostradas en la figura 14 relacionadas con el sensado y acondicionamiento de señal, adquisición de datos e interfaz; ya que estas se consideran como las de mayor dificultad y relevancia en el desarrollo del proyecto. Figura 14. Rama crítica de subfunciones

Adquisición de datos

Sensar y acondicionar Señal

Interfaz

Presión

Flujo

Nivel

Lenguaje de Programación

30

4.2. GENERACIÓN DE CONCEPTOS PARA SUBFUNCIONES 4.2.1. Sensar y acondicionar. Esta subfunción es una de las más importantes ya que proporciona a la planta las señales para tener un correcto funcionamiento. Esta planta ya cuenta con un tipo de sensores encargados de la medición de cada variable, los relacionados con presión y flujo presentaban algunos inconvenientes; que fueron superados con el mantenimiento general, pero en el caso de medición de nivel a través del sensor capacitivo persistieron las fallas por eso se proponen las siguientes alternativas. - Sensor ultrasónico - Sensor capacitivo - Sensor óptico 4.2.2. Adquisición de datos. Este sección es la que interpreta las señales que llegan de los sensores y se encargan de proveer los datos en el formato adecuado al módulo de control general. - Tarjeta DAQ (Nacional Instruments) - Unidad PU-402 - Hacer tarjeta de Adquisición

31

4.2.3. Interfaz. Esta etapa es la de mayor importancia para los involucrados en el proyecto, porque es aquí donde se exige mayor cambio. - Turbo C ++ - Java -Visualbasic 4.3. COMBINACIÓN DE CONCEPTOS Para poder satisfacer las necesidades expuestas al iniciar el proyecto y solucionar los problemas, se realizó una combinación de conceptos para realizar una exploración sistemática de los conceptos generados y así ver las diferentes posibilidades no como una unidad aislada sino como un equipo con características necesarias para cumplir un objetivo Tabla 5. Tabla de combinación de conceptos

Sensar Y acondicionar

Señal

Adquisición de datos Interfaz

Sensor ultrasónico

Sensor capacitivo

DAQ National Instruments

PU-402 Java

Visual Basic Sensor óptico

Hacer tarjeta de Adquisición

Turbo C ++

32

4.3.1. Concepto A

DAQ National Instruments

Sensor ultrasónico Turbo C ++

Esta configuración es buena. El sensor seleccionado tiene las características para el tipo de función que se necesita, como la indicación continua de nivel, es un sistema que consiste en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque. Para este caso en particular tiene una limitante y es que debido a la estructura existente en la planta la bomba centrifuga generaría perturbaciones en la medición. En cuanto a la tarjeta de adquisición (DAQ) es una herramienta muy poderosa al momento de adquirir datos debido a su fácil manejo, sobre todo al trabajar con instrumentación o control, su desventaja es su costo. Por otra parte la programación en turbo C ++ para este proyecto presenta una notable desventaja, por que su estructura no permite realizar interfaces amigables ni interactivas. 4.3.2. Concepto B

PU-402

Sensor Capacitivo Visual Basic Este concepto se acomoda más a las necesidades del cliente, por que los elementos utilizados, ya se encuentran dispuestos en la planta, en cuanto al sensor capacitivo tiene un bajo costo, presenta resistencia a la corrosión; pero puede tener inconvenientes en el recubrimiento del electrodo con lo que se necesitara un acondicionamiento adicional. La unidad PU-402 fue diseñada específicamente para esta planta, permite que el computador lea y escriba señales analógicas y digitales a través

33

de su puerto serial RS-232. Todas las entradas y salidas están protegidas contra tensiones de un máximo de 24 V y Contra cortocircuito, por este motivo es la mas indicada puesto que comprar o hacer otra tarjeta representaría altos costos y mas tiempo. En el desarrollo de la interfaz gráfica, visual Basic se contempla como una de las mejores herramientas gracias a su flexibilidad y facilidad de manejo, en cuanto a comunicación serial y su programación orientada a objetos. 4.3.3. Concepto C

Hacer tarjeta de Adquisición

Sensor óptico Java

Este arreglo presenta una gran ventaja, por que no se presentaría dependencia de un sistema desarrollado por terceros, que amarra el desarrollo a la utilización de datos no modificables. En cuanto al sensor óptico es ideal para el tipo de líquido usado en la planta por que su funcionamiento consiste en que un emisor despliega un haz de luz que atraviesa el líquido y se dirige hacia un receptor que cambia su resistencia de acuerdo a la intensidad de luz que detecta. La utilización de java como lenguaje de programación es una gran alternativa, porque además de ser orientado a objetos es muy utilizado para desarrollo web y se puede realizar interfaces bastante interactivas. Este concepto no es tan aceptable desde del punto de vista económico, el hacer una tarjeta de adquisición propia implica un gasto excesivo que no avalarían los promotores del proyecto y además se extendería su tiempo de desarrollo y así no se cumpliría con el cronograma propuesto en el anteproyecto.

34

5. SELECCIÓN DE CONCEPTOS

Las alternativas propuestas en la fase anterior se evalúan con criterios basados en las necesidades del cliente, con el fin de escoger la mas apropiada. 5.1. MATRIZ DE TAMIZAJE El tamizaje se logra comparando los conceptos propuestos con la referencia, esta es representada por los módulos educativos de control de procesos desarrollados por la Sociedad INDUCONTROL Ingeniería S.A.C (Perú). La referencia se encontró con la búsqueda externa de plantas similares a la PS-2180. La calificación se realizó de la siguiente manera: +: Mejor que 0: Igual a -: Peor que Tabla 6. Matriz de tamizaje

35

El resultado de la anterior matriz genera el concepto con mayor calificación, indicando que es el más apropiado para desarrollar, teniendo en cuenta algunas de sus debilidades que pueden mejorarse.

36

6. DESARROLLO DE LA ARQUITECTURA DEL PRODUCTO

6.1. ANALISIS DE LA ARQUITECTURA DE LA PLANTA El objetivo en esta etapa, es enumerar los componentes físicos y funcionales, para luego definir el tipo de arquitectura a la cuál pertenece el sistema (Ver figura 15). Figura 15. Interacciones entre elementos físicos y funcionales

37

Al analizar los elementos físicos y funcionales, se observo que cada parte física cumple una sola función con lo cual se concluye que la arquitectura que describe la planta es modular. 6.2. ESQUEMA DE LA PLANTA Se determina el esquema de la planta señalando el flujo de fuerzas o energía, flujo de material, y el flujo de señales o datos. Además se realiza la agrupación en conjuntos de los diversos elementos que componen el dispositivo. Figura 16. Esquema general del producto por bloques funcionales

Soporte

Base

Sensores

Capacitivo

Piezorresistivo

Flujómetro

Interruptor de

Nivel

Conjunto Electrónico

Microprocesador

Adquisición de datos

Acondicionamiento

Presóstato

Elemento Electro-mecánico

Bomba Centrífuga

Suministro de Energía

Fuente AC

PC

Flujo de señales o datos Flujo de fuerza o energía Flujo de material

Interfaz

38

6.3. DISTRIBUCIÓN GEOMÉTRICA En esta fase, se observa como la estructura física del producto interactúa con el entorno. Figura 17. Distribución espacial de los diferentes bloques funcionales.

Adquisición de datos Sensores

Acondicionamiento

Interfaz

Base

Bomba

Suministro de Energía

6.4. ARQUITECTURA DEL SISTEMA ELECTRONICO El sistema electrónico de la planta PS-2180, ya cuenta con una serie de dispositivos electrónicos con un diseño modular; con una mínima cantidad de conexiones externas con el fin de reparación y mantenimiento.

39

7. DISEÑO INDUSTRIAL

7.1. VALORACION DEL DISEÑO INDUSTRIAL Para cautivar el interés del usuario final cuando interactué con la planta se realizó una valoración del diseño industrial aplicando algunos conceptos y mejorando de esta forma el producto. Estos conceptos en este caso no se realizaron en la parte física de la planta, solo se llevo a cabo un buen mantenimiento y un acondicionamiento de las señales; en cambio en la parte del software estos conceptos son de gran importancia por que resaltan aspectos como la facilidad de uso, la calidad de interfaz, y la apariencia visual, características de suma importancia para el usuario y que ofrecen un valor agregado al producto. Tabla 7. Evaluación general de calidad del diseño industrial

Ergonomía Bajo Medio Alto Facilidad de uso Instalacion Cantidad de Interacciones Aprendizaje Estética Diferenciación del producto Orgullo de posesión imagen y moda

De la tabla anterior, se puede concluir que el software tiene una buena facilidad de uso, no se debe tener un conocimiento previo para manejarlo, es intuitivo y muy fácil de instalar como cualquier aplicación

40

para Windows, esta específicamente diseñado para que el usuario no pierda el interés a medida que recorre las lecciones y se motive a aprender cada vez mas. El software tiene similitudes con otras aplicaciones, pues su diseño no es muy particular, pero es bastante llamativo debido a sus gráficos, animaciones y contenido multimedia. El orgullo de posesión imagen y moda es medio porque esta elaborado puntualmente para la planta PS-2180 con fines académicos sin pensar en su comercialización, pero con la opción de aplicarlo en instituciones que tengan la misma planta. Figura 18. Orientación del producto

DD.. TTeeccnnoollooggííaa DD.. UUssuuaarriioo

Según el análisis realizado en el grupo, se concluyo que el diseño de la aplicación es del dominio del usuario ya que esta hecho para lograr centrar su atención y por ende su aprendizaje.

41

8. PROTOTIPADO

En la etapa de desarrollo del software se concibieron algunos prototipos con el fin de mostrar una aproximación de la aplicación con una o más dimensiones de interés.

8.1. PROTOTIPOS 8.1.1. Software. Este prototipo (figura 19) se realizo con el fin de analizar la funcionalidad y distribución en pantalla de algunos elementos del conjunto, por ejemplo: botones, el menú entre otros. Figura 19. Primer análisis del software

Partiendo de las necesidades del cliente, en las que se proponía que el usuario tuviera mas interés y concentración en el momento de hacer la

42

práctica se fueron adicionando nuevos elementos como un fondo en toda la pantalla y también en los botones. Figura 20. Segundo análisis de software

Luego de este modelo se realizaron más cambios que reflejan en la figura 21 hicieron que la aplicación sea más dinámica, con gráficos que ayudan al usuario a comprender mejor las preguntas propuestas en los ejercicios. Para darle un sentido de pertenencia a este programa se le asigno el logo de identificación del SENA y el departamento al que pertenece (C.E.A.I.). El resultado final de la apariencia de la interfaz es el siguiente: Figura 21. Tercer análisis de software

43

Para fortalecer la parte teórica del software, se hizo un catalogo (figura 22) que contiene información técnica y comercial de diversidad de dispositivos utilizados en la medición de variables de presión flujo y nivel. Figura 22. Catalogo

Por otra parte se dispone de enlaces (links) que brindan al usuario alternativas de búsqueda de información en Internet y un contenido multimedia que a hace más atractivo el aprendizaje. En el problema de registro de datos en las tablas, se modifico los rangos de tal forma que fuesen mas flexibles y así poder continuar con la lección. Se genero también un instalador de fácil uso, con el que se puede trabajar la aplicación en cualquier PC.

44

8.1.2. Unidad PS-2180/2 . - Cambio de los tubos metálicos que unen la placa orificio y las mangueras por unos de material no corrosivo como el polímero. - Para acabar con la perdida de presión en las vías de caudal se realizo un mantenimiento exhaustivo, limpiando todos los elementos y cambiando el agua. Los elementos que presentaban fallas como el filtro y la válvula antiretorno fueron cambiados después de comprobar que no se podían reparar. Además se dejo una advertencia al inicio del programa para sugerir al usuario un mantenimiento preventivo. - En el caso de las filtraciones de aire en los elementos roscados se procedió a colocar un recubrimiento de cinta teflón, y las mangueras se aseguraron con abrazaderas plásticas, aunque algunas que mostraban demasiado deterioro fueron reemplazadas. _ La falla en la medición de nivel por medio del transductor capacitivo se resolvió después de una serie de pruebas que consistían en cambiar el recubrimiento del electrodo utilizando diversos materiales hasta encontrar el mas indicado, concluyendo que con el material termoencogible se lograba buena adherencia al electrodo y se eliminaban las filtraciones; aun así el sensor estaba fuera de rango, por tal motivo se necesito de un nuevo acondicionamiento que consistió en modificar la etapa de amplificación del circuito de medición de nivel por capacitancia (ver anexo plano eléctrico).

45

9. CONCLUSIONES El desarrollo del sistema de supervisión y adquisición de datos de la planta PS-2180 se logró efectuar deacuerdo a las necesidades descritas en la parte inicial por los gestores del proyecto. Más específicamente en la interfaz cabe destacar los logros alcanzados en la parte de interacción con el usuario y la confiabilidad que genera en el mismo, a través de elementos multimedia que dan armonía y resultan agradables al momento de recorrer cada lección. En la parte de acondicionamiento de señales, se realizaron numerosas pruebas y análisis, con las que se obtuvieron exitosos resultados dejando a punto todos los dispositivos electromecánicos de la planta, para lograr un funcionamiento óptimo de todo el sistema. Además se desarrolló un material técnico pedagógico que consta de un catalogo y una serie de presentaciones en el software que ayudan al usuario en su formación integral.

46

BIBLIOGRAFIA

BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Electrónica teoría de circuitos. 4 ed. Naucalpan de Juarez: Prentice Hall, 1989. 845 p. CREUS, Antonio. Instrumentación industrial. 6 ed. Barcelona: Alfaomega Marcombo, 1997. 750 p. Empresa dedicada a la automatización y control de procesos industriales [en línea] Lima: Inducontrol, 2006. [Consultado 15 marzo, 2006] Disponible en Internet: http://www.inducontrol.com.pe Industria productora y comercializadora de dispositivos para la medición y control de procesos [en línea], New Jersey: Omega, 2006. [Consultado 13 Feb, 2006] Disponible en Internet: http://www.omega.com MCKELVY, Mike. Visual basic 5. Edición especial. Madrid: Prentice-Hall, 1997. 969 p. NORTON, Harry N. Sensores y analizadores. Barcelona: Gustavo Gili, 1984. 589 p. PALLÁS ARENY, Ramón. Sensores y acondicionamientos de Señal. 3 ed. Barcelona: Alfaomega Marcombo, 2004. 480 p. Recursos para la programación [en línea] Madrid: la Web del programador, 2000. [Consultado 26 mayo, 2006] Disponible en Internet: http://www.lawebdelprogramador.com

47

Anexo 1. Instructivo instalación de software

Al explorar el CD de la aplicación encontramos la siguiente carpeta

Al dar doble click sobre ella, encontramos todos los archivos que conforman el instalador.

Procedemos a realizar la instalación dando doble click sobre el icono setup, con esto se empiezan a copiar los archivos necesarios para correr el instalador.

48

Posteriormente, emerge una ventana que nos recomienda cerrar otras aplicaciones que estén en ejecución para lograr una instalación exitosa. Luego damos click en aceptar para continuar.

En la siguiente ventana, hay tres opciones que son:

- Cambiar directorio Este botón nos permite cambiar el directorio en donde se copiaran los archivos de la aplicación, es de vital importancia no cambiarlo, y utilizar el que se presenta por defecto. C:\Archivos de programa\PS-2180\

- El icono de un computador Es el botón en el que debemos dar click para continuar con la instalación del software.

- El botón salir es usado para cancelar la instalación.

49

En la ventana siguiente seleccionamos el grupo PS-2180 y damos click en el botón continuar.

La copia de los archivos necesarios para utilizar la aplicación de la planta PS-2180 empieza en el directorio escogido.

50

Al final se presenta una ventana que nos informa que la instalación fue exitosa, se da click en el botón aceptar para cerrar la ventana de instalación,

Para utilizar la aplicación utilizamos la siguiente ruta Inicio, programas, PS-2180, PS-2180.exe

51

Anexo 2. Referencia matriz de tamizaje

MODULOS EDUCATIVOS DE CONTROL DE PROCESOS

SOCIEDAD INDUCONTROL INGENIERÍA SAC

Agosto, 2005 Teléfono: 440 – 5225 Fax: 221 – 6787

e-mail: inducontrol@inducontrol.com.pe Web: www.inducontrol.com.pe

Calle Manuel Fuentes 976 – B, San Isidro

52

PRESENTACIÓN Desde 1991, nuestra empresa se ha dedicado a la automatización y control de procesos industriales, equipando y modernizando diferentes plantas y laboratorios en el ámbito nacional e internacional con tecnología de punta. Así mismo brindamos la asesoría necesaria para la implementación de proyectos, cursos especializados en el área de automatización industrial, programación de PLCs y cursos teóricos - prácticos dirigidos al desarrollo de aplicaciones bajo diferentes entornos (gráfico, C++, etc.) Actualmente en la industria moderna el control automático ha tomado tanta importancia que es difícil imaginarse una planta competitiva con un proceso productivo no automatizado; entonces es obvio suponer que la industria nacional requiere y requerirá profesionales con conocimientos en el control y automatización de procesos industriales, por lo que nuestras universidades deberían ser los entes encargados de difundir esta tecnología, para que así los nuevos profesionales estén preparados y capacitados con lo concerniente a esta tecnología. Sociedad INDUCONTROL Ingeniería S.A.C ha trabajado estos años para la construcción de MODULOS EDUCATIVOS DE CONTROL DE PROCESOS :

• CONTROL DE CAUDAL. • CONTROL DE PRESIÓN. • CONTROL DE TEMPERATURA • CONTROL DE NIVEL • CONTROL DE CALIDAD: PROCESAMIENTO DE IMÁGENES • KIT DE LABORATORIO PARA CONTROL DE ADQUISICIÓN DE DATOS:

INDULAB Los módulos de control de caudal y presión permiten que el estudiante aprenda y experimente con un controlador programable (PLC) y un sistema de control automático supervisado por computadora(SCADA). El Kit de laboratorio para control y adquisición de datos: INDULAB, módulo educativo que permite la adquisición de diversos tipos de señales convirtiendo las mismas, mediante las tarjetas y equipos, a

53

señales binarias las cuales el computador pueda interpretar y con la cual los alumnos podrán estudiar y analizar para cualquier rama de la ciencia como Ing. Electrónica, Mecatrónica, Eléctrica, Química, Física e Industrial. También permite experimentar con los sensores de presión, fuerza (celda de carga), temperatura (Termocuplas T y J) y nivel, además de la implementación de diversos algoritmos de control utilizando bien el programa LabVIEW o el Lookout SCADA, guías practicas para poder comunicarse con los Fieldpoint, PLCs, tarjetas de adquisición, etc. Todos estos equipos han sido diseñados, desarrollados y realizados con técnicas y componentes industriales y ensamblados en las instalaciones de la empresa. Garantizando la instalación, configuración y puesta a punto de los equipos, asimismo ofrece capacitación gratuita en el uso del software y hardware.

MODULO DE CONTROL DE PRESIÓN

54

En todos lo procesos y operaciones industriales, la presión es una de las variables de gran importancia, donde se manejan presiones que van desde el vacío absoluto hasta millares de bares; requiriéndose para esto de instrumentos precisos denominados manómetros que presentan un modo de funcionamiento mecánico, electromecánico o electrónico. El módulo de control automático de presión ha sido diseñado con el objetivo de proporcionarle al estudiante la posibilidad de conocer todas las variables y operaciones que se verifican en el proceso de control automático, que se manifiesta en la presión que ejerce un fluido sobre un tanque cerrado cuando éste es bombeado. El equipo está compuesto básicamente por dos tanques, red de tuberías y accesorios en acero inoxidable AISI 316; una bomba centrífuga, un transmisor electrónico de presión, un Presóstato, una válvula de posición tipo bola, un PLC, y un registrador/ MMI. La variable de proceso controlada en este equipo es la presión y presenta como componentes del sistema instrumentos que usualmente se utilizan en la industria.

ESQUEMA GENERAL Este módulo de control de presión permitirá que el estudiante aprenda y experimente con un sistema de control automático autónomo (PLC) y un sistema de control automático supervisado por computadora (SCADA). La secuencia que sigue el sistema para su puesta en funcionamiento es la siguiente: el fluido (agua) una vez almacenado en el tanque(T1) será bombeado con una electro-bomba tipo centrífuga a un recipiente cerrado en forma vertical (T2) logrando la presurización del mismo, debido a la presión con la que ingresa el agua provocando la compresión del aire que esta presente. El estudiante fijara un valor de presión como “setpoint” cuyo ideal es alcanzarlo y mantenerlo. En el tanque presurizado esta colocado un transmisor de presión que envía su señale a un PLC, cuando en el sistema hay un cambio de presión que este fuera del valor deseado, el

55

PLC enviará una señal de error al variador de velocidad para que aumente o disminuya la velocidad de la bomba, variando el caudal y por ende la presión de bombeo.

En este sistema, la válvula automática de tipo bola caracterizada servirá para ayudar a presurizar al sistema, pudiendo variar su de grado de abertura desde una PC o desde el registrador/ MMI seleccionándose el porcentaje de abertura de la válvula. Al abrir o cerrar las válvulas manuales a un porcentaje determinado, traerá como consecuencia la disminución o aumento de presión en el tanque presurizado respectivamente, de esta manera el sistema se autorregulará con el variador de velocidad. También es posible agregar perturbaciones al sistema con las válvulas manuales. El modulo de presión consta de los siguientes equipos para llevar a cabo el control automático o manual:

56

- 1 Bomba centrifuga trifásica - 1 Variador de velocidad - 1 Válvula de posición caracterizada - 1 Sensor/Transmisor de caudal - 1 PLC - 1 Registrador/MMI

- Válvulas manuales - 1 Tablero eléctrico

- Sistema de tuberías y accesorios

El sistema de control ha sido concebido de tal forma que el controlar la variable del proceso (Presión) para un punto de consigna ha de ser asumido por el PLC. Para este propósito el PLC incluye un modo de control PID. Los parámetros relacionados con el algoritmo del PID han de poder ser modificados durante el proceso por intermedio del Registrador/ MMI o a través de la interfaces gráficas del software de supervisión y control desarrollado para el sistema de caudal. El diagrama de bloques que representa el lazo de control es mostrado en el diagrama siguiente:

57

La computadora, el registrador/ MMI y el PLC están todos enlazados por una red de comunicación serial RS485, donde en esta red el PLC será siempre esclavo y el maestro de esta red va ha ser asignado al computador o al registrador/ MMI para realizar la tarea de supervisar y modificar parámetros de control del PLC. PROGRAMA DE FORMACION: El módulo de control de presión permite el análisis teórico y la realización de las siguientes prácticas:

1. Reconocimiento de componentes y lazos del sistema. 2. Practicas de programación de secuencias de control booleano con PLC 3. Practicas de programación de arranque directo de un motor trifásico con PLC 4. Practicas de programación de arranque ∆-Y para un motor trifásico 5. Practicas de programación de entradas/ salidas analógicas 6. Practica para hallar parámetros de sintonía del sistema de presión 7. Practica de construcción de protocolo con LabView para lectura y escritura de datos en PLC. 8. Exploración de algoritmos PID.

9. Programación en lenguaje escalera. 10. Manejo de interfaz hombre- máquina.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS • Estructura sobre ruedas en hierro cromado, para soporte,

alojamiento y transporte del módulo. • Tablero metálico que aloja el sistema de control automático:

- Controlador lógico programable, PLC con 14 entradas digitales, 10 salidas de tipo relé, 03 entradas analógicas y 02 salidas analógicas. - Un registrador – Interfaz de diálogo operador. - Variador de velocidad

58

- Dispositivos eléctricos como: interruptor termo-magnético, contactor, relé térmico, fusibles y portafusibles, conjunto de borneras apilables, riel. - Pulsadores de arranque, parada, botones indicadores de funcionamiento, seleccionador de operación manual – automático. - Fuente de alimentación 24 DVC

• Sistema de tuberías de ¾ “ en acero inoxidable AISI 316. • Líneas de conexión y válvulas de cierre en acero inoxidable AISI

316. • 1 tanque de recogida de agua en acero inoxidable AISI 316. • Tanque de presurización. • Manómetro

• 1 bomba centrífuga, Q=2,5 m3/hr, con todas sus partes húmedas en acero inoxidable AISI 316, altura de elevación 22 m.c.a, motor de 1 HP.

• 2 interruptores de nivel en polipropileno, presión máxima: 145 psi. • 1 transmisor de presión, rango: 0 a 6 bar, con una salida de 4 - 20

mA. • 1 Presóstato mecánico • 1 convertidor de frecuencia, voltaje: 200 - 240 VAC, potencia: 0,75

Kw (1 HP). • Dimensiones : 132 x 50 x 165 cm SOFTWARE

Software de aplicación para supervisión y adquisición de datos de los módulos de control. El software ha sido desarrollado par un entorno de plataforma Windows que permite:

- Visualización real - time de la dinámica del proceso. - Envío de mandos al proceso. - Manipulación de las variables del proceso. - Definición de gráficos. - Creación de archivos de datos del proceso. - Diagnóstico del proceso.

59

60

Panel de Control de los Módulos de Presión

TEXTOS TEORICO – PRÁCTICOS - Práctica de laboratorio documentada. - Manual de operación y mantenimiento. - Diagramas y esquemas de circuitos

REQUERIMIENTOS:

1. PC: 64 MBytes /min. de memoria, 10 GBytes de disco duro, 8 MBytes/ min. de tarjeta de vídeo, 2 unidades/ min. bus PCI, 2 unidades/ min. bus ISA, lectora de CD.

2. Potencia total para el laboratorio: 3496.7 vatios. 3. Presión de agua recomendable: 1 bar. 4. Sistema de desagüe con vertedero de 2”.

Anexo 3. Plano eléctrico

Anexo 4. Paper

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SCADA, PARA LA PLANTA DIDÁCTICA PS-2180

Reinaldo Júnior Sánchez Peña Luís Gabriel Benavides Arias

Ingeniería Mecatrónica – Universidad Autónoma de Occidente Calle 25 Carrera 116 Km. 2 Vía Cali – Jamundí

E-mail: lugbear@yahoo.es,reyjunsan@hotmail.com Santiago de Cali, Colombia

Resumen: En este documento se presenta el proceso de diseño e implementación del software de entrenamiento y el acondicionamiento de señales de una planta didáctica de presión, nivel y flujo. Además se muestra los problemas y necesidades encontrados en el transcurso del proyecto. El proceso empieza con la descripción general de la planta y su funcionamiento. Luego se enfrenta el problema aplicando una metodología concurrente de desarrollo de productos iniciando con la búsqueda de las necesidades que se deben satisfacer para el óptimo desempeño del sistema. Dichas necesidades se buscaron mediante grupos de enfoque, observando plantas similares y en general teniendo en cuenta el problema que se presenta en este tipo de plantas didácticas. Luego de tener las necesidades claras, se procede a realizar el planteamiento del problema de forma general para posteriormente realizar un desglose donde se muestra de forma puntual las fallas detectadas tanto en el hardware como en el software.

Palabras Clave: acondicionamiento, sensor, presión, flujo, nivel, software, capacitancia.

62

1. INTRODUCCIÓN

Para alcanzar los grandes mercados internacionales se necesita ser competitivos, esta característica no la poseen muchas empresas en el país pero la solución se encuentra en los establecimientos educativos, los cuales deben convertirse en semilleros de tecnología, este caso en particular se presenta en el laboratorio de sensores y transductores del SENA (Cali- Valle) donde actualmente se cuenta con una planta didáctica PS-2180 de la empresa DEGEM SYSTEMS la cuál sirve para el entrenamiento en mediciones de presión, flujo y nivel. Esta planta presenta inconvenientes en la medición de las distintas variables y además una interfaz gráfica muy rígida (poco interactiva).

Gracias al convenio establecido entre la universidad Autónoma y el SENA se logro crear una pasantia con el objetivo de diseñar una interfaz mas interactiva, y un acondicionamiento de las señales de los distintos sensores para lograr un buen rendimiento.

2. PLANEACIÓN DEL PROYECTO

2.1 Descripción de la planta PS-2180 En el laboratorio de sensores y transductores del SENA se encuentran diversos equipos utilizados para la enseñanza en la medición de variables que comúnmente se observan en los procesos industriales; uno de ellos es el sistema PS-2180 que ofrece al estudiante conocimientos básicos de medida de caudal y nivel de liquido (H2O). Está conformado por las siguientes partes:

Planta PS-2180/2 AdquisiciónDe datos

Software

Fig. 1. Descripción de la planta didáctica PS-2180 1. Planta PS-2180/2

Posee varios elementos eléctricos y mecánicos que son fundamentales para su correcto funcionamiento, y son los siguientes:

Presóstato (PS)

Transmisor de Presión (PT)

Válvula de alivio (RV)

Elemento de caudal (FE)

Transmisor de caudal (FT)

Indicador de nivel (LI)

Interruptor de nivel (LS)

Transmisor de nivel (LT)

Transmisor diferencial de presión (PDT)

Válvula manual (HV)

Indicador de presión (PI)

63

Fig. 2. Diagrama de proceso de la planta didáctica PS-2180/2 2. Adquisición de datos

Se compone por tres unidades que son:

PU-402 Permite que el computador lea y escriba señales analógicas y digitales

PS-2001 Se compone de tres fuentes ((±5V DC, ±15V DC y variable de 20 a 218V CA) y tres circuitos de control (Temperatura ambiente, calentamiento/enfriamiento y bomba centrifuga).

PS-2180/1 En el panel de esta unidad, hay cinco salidas de transmisores (Presión, Nivel Hidrostático, Nivel Capacitivo, Caudal de Orificio y Caudal de paleta), tres salidas de alarma (nivel ato, bajo y alta presión) y un circuito PI de control.

3. Software

La aplicación de forma general está estructurada de la siguiente manera:

Un primer pantallazo en donde se enumeran las ocho lecciones posibles, que el estudiante puede escoger. A su vez cada lección se compone de tres partes fundamentales: 1. Teoría Parte donde se expone los fundamentos físicos en los que esta soportada la práctica (formulas, teoremas

etc.), además del conocimiento de los elementos involucrados en la misma. 2. Cuestionario Esta parte del programa es la encargada de evaluar el conocimiento adquirido en la primera fase de la lección. Siguiendo con el ejemplo de la lección del transductor hidrostático: 3. Práctica Su objetivo es obvio, poner a prueba los conocimientos adquiridos en las dos fases anteriores; colocando en funcionamiento el transductor; y observando sus características estáticas (Rango, alcance, exactitud, fidelidad etc.). En esta parte se expone como hacer las conexiones eléctricas, como también la disposición de las válvulas en la planta PS-2180/2; también se muestra un subprograma denominado display donde se muestran las distintas alarmas y otras opciones como calibración del transductor, setpoints, graficas entre otras.

3. PANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La planta didáctica PS-2180 del laboratorio de sensores y transductores del SENA (Cali) cuenta con un sistema SCADA (sistema de supervisión y adquisición de datos) cerrado el cual no brinda posibilidades de desarrollo y actualización. Algunos de los sensores y acondicionamiento de señal requieren de adecuación y dificultan la medida. El material didáctico asociado a la medición de cada variable requiere de actualización lo mismo de las preguntas que cubren el final de cada tema. Con el proyecto se pretende cubrir la necesidad de acondicionamiento y adquisición de la medición de variables: presión, nivel y flujo de la planta didáctica PS-2180 del laboratorio de sensores y transductores.

3.1 Identificación de necesidades Las necesidades expuestas a continuación, se generaron a partir del análisis del sistema PS-2180 tanto en hardware como en

64

software, y también de entrevistas con los instructores encargados del laboratorio de sensores y transductores

- El software debe tener un ambiente de autoaprendizaje.

- El software debe ser interactivo, dinámico y de fácil manejo.

- El software debe proporcionar enlaces de documentación referente a la práctica.

- Los transductores de la planta deben generar señales adecuadas que permitan el buen funcionamiento del sistema.

- El software debe generar seguridad en los conocimientos cuando el estudiante realice las prácticas.

- El software debe trabajar con un rango adecuado a la señal generada por los transductores.

- El software debe ser de fácil instalación. - Los elementos electromecánicos que

conforman la planta y presentan desgaste deben ser remplazados.

- El sistema debe indicar la advertencia de un mantenimiento preventivo.

4. PROBLEMAS ENCONTRADOS

4.1 Unidad PS-2180/2

Esta unidad, tiene muchos elementos electromecánicos; los cuáles tienen una vida útil, dependiendo del uso y del mantenimiento preventivo que se les efectúe; este mantenimiento no ha sido realizado como el fabricante lo recomienda (cada 15 días); es mas desde que se adquirió solamente se realizó en contadas ocasiones; por tal razón se encontraron las siguientes fallas:

- Deterioro de tubos metálicos que empalman la placa orificio y las mangueras que van al sensor piezorresistivo (MPX-2010). Estos tubos debido a la constante humedad perdieron su recubrimiento y se oxidaron, lo que hizo que se taponara el conducto impidiendo así enviar la señal de presión diferencial hacia el sensor. - Perdida de presión en la línea de caudal a causa de: * Acumulación excesiva de partículas en el filtro. * Mal funcionamiento de la válvula antiretorno por perdida de elasticidad. - Fugas de aire en la compresión del sistema, como consecuencia del desgaste en la rosca del elemento de sujeción del interruptor de nivel alto, como también el cambio de elasticidad de las mangueras. - Medición errónea de nivel con el transductor capacitivo debido a la pérdida del aislamiento en uno de los electrodos. Se presento deterioro del recubrimiento aislante, lo que permitió filtraciones.

4.2 Software

El aspecto general del software, hace que el estudiante no centre toda su atención, tiene iconos que siempre están inactivos y tiene una ayuda en ingles. Por otra parte existen lecciones en las cuales hay demasiado texto, y no hay secciones donde se pueda interactuar con el sistema. - Fase teórica Limitación en los temas tratados. Con estos se pretende que el estudiante explore varias alternativas, pero no lo esta logrando; como por ejemplo en la medición de nivel, solo se hace énfasis en los transductores utilizados en la planta (capacitivo e hidrostático) y no hace

65

referencia a otros que son de mejor desempeño y actualmente se utilizan en pequeñas y grandes industrias. - En la fase práctica la principal falla se encuentra en la parte de registro de datos en las tablas, por que le rango manejado es muy pequeño y por esto el sistema no acepta los datos ingresados.

Un gran inconveniente que presenta este programa es que el instalador tiene fallas debido a que sus archivos están en discos flexibles; algunos ya deteriorados y no se tenía una copia de seguridad.

5. GENERACION DE CONCEPTOS

Para visualizar y comprender más a fondo el problema, se ordenó en funciones para facilitar la obtención de la rama crítica; a partir de este punto se generaran los conceptos mediante la búsqueda interna (grupo) y externa (Internet, entrevistas) de información.

Fig. 3. Descomposición funcional

5.1 Rama Crítica y Desglose de una Subfunción Para realizar un análisis mas detallado se seleccionaron las subfunciones mostradas en la figura 4 relacionadas con el sensado y acondicionamiento de señal, adquisición de datos e interfaz.

Fig. 4. Rama Crítica La planta ya cuenta con un tipo de sensores encargados de la medición de cada variable, los relacionados con presión y flujo presentaban algunos inconvenientes; que fueron superados con el mantenimiento general, pero en el caso de medición de nivel a través del sensor capacitivo persistieron las fallas por eso se proponen las siguientes alternativas en la generación de conceptos.

Luego de la generación se realizó la combinación de conceptos, con la que se obtuvo la siguiente configuración:

Este concepto se acomoda más a las necesidades del cliente, por que los elementos utilizados, ya se encuentran dispuestos en la planta, en cuanto al sensor capacitivo tiene un bajo costo, presenta resistencia a la corrosión; pero puede tener inconvenientes en el recubrimiento del electrodo con lo que se necesitara un acondicionamiento adicional. La unidad PU-402 fue diseñada específicamente para esta planta, permite que el computador lea y escriba señales analógicas y digitales a

66

través de su puerto serial RS-232. Todas las entradas y salidas están protegidas contra tensiones de un máximo de 24 V y Contra cortocircuito, por este motivo es la mas indicada puesto que comprar o hacer otra tarjeta representaría altos costos y mas tiempo. En el desarrollo de la interfaz gráfica, visual Basic se contempla como una de las mejores herramientas gracias a su flexibilidad y facilidad de manejo, en cuanto a comunicación serial y su programación orientada a objetos.

4. SOLUCIÓN DE PROBLEMAS ENCONTRADOS

4.1 Software

Para fortalecer la parte teórica del software, se hizo un catalogo que contiene información técnica y comercial de diversidad de dispositivos utilizados en la medición de variables de presión flujo y nivel.

Fig. 4. Catalogo sensores y transductores Por otra parte se dispone de enlaces (links) que brindan al usuario alternativas de búsqueda de información en Internet y un contenido multimedia que a hace más atractivo el aprendizaje como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 4 Aspecto general del software En el problema de registro de datos en las tablas, se modifico los rangos de tal forma que fuesen más flexibles y así poder continuar con la lección. Se genero también un instalador de fácil uso, con el que se puede trabajar la aplicación en cualquier PC

4.2 Unidad PS-2180/2

- Cambio de los tubos metálicos que unen la placa orificio y las mangueras por unos de material no corrosivo como el polímero. - Para acabar con la perdida de presión en las vías de caudal se realizo un mantenimiento exhaustivo, limpiando todos los elementos y cambiando el agua. Los elementos que presentaban fallas como el filtro y la válvula antiretorno fueron cambiados después de comprobar que no se podían reparar. Además se dejo una advertencia al inicio del programa para sugerir al usuario un mantenimiento preventivo. - En el caso de las filtraciones de aire en los elementos roscados se procedió a colocar un recubrimiento de cinta teflón, y las mangueras se aseguraron con abrazaderas plásticas, aunque algunas que mostraban demasiado deterioro fueron reemplazadas.

67

_ La falla en la medición de nivel por medio del transductor capacitivo se resolvió después de una serie de pruebas que consistían en cambiar el recubrimiento del electrodo utilizando diversos materiales hasta encontrar el mas indicado, concluyendo que con el material termoencogible se lograba buena adherencia al electrodo y se eliminaban las filtraciones; aun así el sensor estaba fuera de rango, por tal motivo se necesito de un nuevo acondicionamiento que consistió en modificar la etapa de amplificación del circuito de medición de nivel por capacitancia.

5. CONCLUSIONES

El desarrollo del sistema de supervisión y adquisición de datos de la planta PS-2180 se logró efectuar deacuerdo a las necesidades descritas en la parte inicial por los gestores del proyecto. Más específicamente en la interfaz cabe destacar los logros alcanzados en la parte de interacción con el usuario y la confiabilidad que genera en el mismo, a través de elementos multimedia que dan armonía y resultan agradables al momento de recorrer cada lección. En la parte de acondicionamiento de señales, se realizaron numerosas pruebas y análisis, con las que se obtuvieron exitosos resultados dejando a punto todos los dispositivos electromecánicos de la planta, para lograr un funcionamiento óptimo de todo el sistema. Además se desarrolló un material técnico pedagógico que consta de un catalogo y una serie de presentaciones en el software que ayudan al usuario en su formación integral.

REFERENCIAS

BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Electrónica Teoría de Circuitos. 4a Edición. Naucalpan de Juarez – Mexico: Prentice Hall, 1989. 845 p. Creus, Antonio. Instrumentación Industrial. 6a Edición. Barcelona – España: Editorial Alfaomega Marcombo, 1997. 750 p. Empresa dedicada a la automatización y control de procesos industriales [en línea]. Perú [Consultado 15 marzo, 2006] Disponible en Internet: http://www.inducontrol.com.pe Industria productora y comercializadora de dispositivos para la medición y control de procesos [en línea] EE.UU., [Consultado 13 Feb, 2006] Disponible en Internet: http://www.omega.com MCKELVY, Mike. Visual Basic 5. Madrid – España: Prentice-Hall, 969 pag. NORTON Harry N. Sensores y Analizadores. Barcelona – España. Editorial Gustavo Gili. 1984. 589 P. PALLÁS ARENY, Ramón. Sensores y Acondicionamientos de Señal. 3a Edición. Barcelona – España: Alfaomega Marcombo. 2004. 480 P. Recursos para la programación [en línea] [Consultado 26 mayo, 2006] Disponible en Internet: http://www.lawebdelprogramador.com

68