Regulacion Nivel y Volumen

5/17/2018 Regulacion Nivel y Volumen - slidepdf.com

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ZAMALBIDE AUZOA Z/G 20100 ERRENTERIA GIPUZKOA TEL: 943082900 Página 1 de 26

ACTIV IDAD

5 .1 PROGRAMACI ÓN DEL CONTROL PI D DEL NI VEL-

VOLÚMEN D E AGUA CON EL PLC S73 0 0( PRÁCTI CA)

1. I NTRODUCCI ÓN

1. OBJETI VOS

1. Controlar el nivel o volumen de agua de un depósito, utilizando la función PID FB41(CONT_C) que lleva integrada el software de programación STEP7 de SEIMENS.

2. Realizar la conexión y parametrización adecuada de las entradas–salidas analógicas.3. Realizar la programación y parametrización adecuadas de la función FB41.4. Entender que se trata de una función adecuada para la regulación de procesos tales como

el de la presión y el caudal.

2 . RECURSOS NECESARI OS

1. Un autómata SIEMENS S7300 o S7400, con entradas-salidas integradas o tarjetasanalógicas añadidas.

2. Un PC con puerto RS232 o, en caso de que disponga sólo de un puerto tipo USB, unadaptador de USB al puerto COM.

3. Un PC Adapter, que posibilite la comunicación entre el PC y el PLC.4. STEP7 v. 5.1 o posterior.5. Disponer de maquetas para el control de diferentes procesos (nivel-volumen, presión y

caudal).

3 . CONCEPTOS A DOMI NAR POR EL ALUMN O

1. Conocer el funcionamiento de la función FB41 (CONT_C). (Actividad nº 3)2. Conocer el lenguaje de programación STEP7.3. Dominar el funcionamiento de un lazo de control abierto y cerrado.4. Entender el funcionamiento de todos los bloques que puedan formar parte de un lazo

cerrado (bloque del controlador PID, bloque del sistema que se quiera regular, bloque delsensor).

5. Conocer los efectos que los parámetros P, I y D del controlador tienen en el sistema.




2. ALA RMA CÍ CLI CA OB 35 y PROGRAMACI ÓN DE LOS BLOQUES DE

ARRANQUE OB 100

Tal y como se puede ver en las dos siguientes imágenes, nos prepararemos para insertar

el bloque OB35 en el formato KOP. En la 4ª actividad (Configuración del hardware) ya estáespecificado que se tiene que ejecutar cada 20 ms.




Insertaremos la función FB41 (CONT_C) que se encuentra en la librería Standard Library –PID Control Blocks.

A continuación, nos preguntará si queremos crear la DB de instancia asociada a estafunción. Le responderemos que sí y le daremos un nombre, por ejemplo, DB41.

Tal y como lo hemos visto antes, resulta muy interesante ponerle un nombre simbólico, deeste modo, todos los parámetros que guarda esta DB aparecen con el nombre simbólico.




En las entradas y salidas de esta función FB41 definiremos los parámetros necesarios; setrata de PV_PER, LMN_PER y COM_RST.

Estos parámetros constituyen, por así decirlo, la “conexión” entre el proceso, la tarjetaanalógica y el regulador. Recordemos la configuración del hardware:

PV_PER = PEW752 (dirección de la entrada analógica a la que está cableado el sensor).

LMN_PER = PAW752 (dirección de la salida analógica a la que está cableado el actuador).

COM_RST = “Reset” (Bit que utilizaremos para resetear el FB). Normalmente, el bit pararesetear se programa en el bloque OB100.

Los demás parámetros se podrán leer y escribir en la DB correspondiente.

En la siguiente imagen se muestra la programación del bit necesario para resetear elregulador en el bloque OB100:




En el 1.er segmento, el bit M0.0 lo fijaremos en “1” ( A M 0.0 le asignaremos el nombresimbólico “reset”).

En el 2.º segmento tan solo llamaremos a la función FB41, introduciendo el valor del bit “reset” en el parámetro COM_RST. Esta acción pone en cero los valores de salida delregulador (lo resetea).

En el 3.er segmento, el bit M0.0 lo fijaremos en “0”. Así, en la ejecución del bloque OB35

seguirá con su funcionamiento normal.




Después de programar todos los bloques, los transferiremos a la CPU, y comprobaremosque no nos da ningún error.

2.1 PARAMETRI ZACI ÓN DEL REGULADOR FB41

La parametrización de esta función se puede realizar visualizando todo la DB, pero elentorno STEP7 nos ofrece una opción mejor, que es la de usar “Parametrizar ReguladorPID”, tal y como se ve en la siguiente imagen:

Con esta opción no podremos parametrizar todos los valores de la DB, pero podemoscambiar fácilmente los más importantes.

En las dos siguientes imágenes se muestran los pasos a seguir para poner online el bloquede datos DB41 correspondiente a la función. El objetivo de este bloque de datos esparametrizar los valores más significativos (GAIN, Ti, Td, MAN, MAN_ON etc.).

Este entorno no permite cambiar la consigna (SP_INT) ni el valor que guarda el modomanual (MAN), para ello, utilizaremos la tabla de variables que crearemos más adelante.




Se debe escoger la opción “Online”.




Los rangos que aparecen en esta pantalla están relacionados con los siguientesparámetros del DB:

Periferia: Estamos leyendo desde la entrada PV_PER.Interno: leeríamos desde la entrada PV_IN.

Factor de normalización: PV_FACOffset de Normalización: PV_OFF

Ancho zona muerta: DEADB_W

Conectar acción P: P_SELGanancia proporcional: GAIN

Conectar acción I: I_SELTiempo integración: TiCongelar acción I: INT_HOLD

Inicializar acción I: I_ITL_ONValor de inicialización: I_ITLVAL

Conectar acción D: D_SELTiempo de acción derivada: TdRetardo: TM_LAG

Modo automático: MAN_ON = “0” Modo manual: MAN_ON = “1”

Límite superior: LMN_HLMLímite inferior: LMN_LLM

Factor de normalización: LMN_FACOffset de Normalización: LMN_OFF




Ante cualquier cambio de parámetro, los datos de esta DB se deben mandar a la CPU.

2 .2 CREAR UNA TABL A DE VARI ABLES PARA FORZAR ALGUNOS

PARÁMETROS

Para tener la conexión con los parámetros SP_INT, MAN y con cualquiera de la DB,crearemos una tabla de variables.

Para que todos los parámetros del DB que aparecerán en esta tabla lo hagan con unnombre simbólico, le asignaremos al bloque de datos DB41 un nombre simbólico, tal ycomo se muestra en la siguiente imagen:




Tal y como se puede observar en ella, todos los parámetros aparecen con el nombresimbólico.

Respetando la dirección y el tipo de dato de cada parámetro, completaremos la tabla.




En la siguiente imagen, se pueden ver los datos de un regulador automático, que recibe elvalor PV de la función PV_PER. Se trata de un regulador del tipo PI y los datoscorresponden a la regulación de nivel con el 30 % de la consigna.

A continuación, fijaremos el valor de la consigna en el 50 % y se regulará la nuevaconsigna.




2 .3 TENDENCI A GRÁFI CA D E LOS VALORES DEL PROCESO

Escogiendo la opción “Parametrizar Regulador PID” que, como hemos mencionado antes,está integrada en el entorno STEP7, y conectándonos Online con la DB correspondiente, sepuede configurar la visualización gráfica de los valores del proceso.

Activando el botón “ajustes”, podemos visualizar cuatro de entre todos los valores quepodamos tener en el lazo que estamos regulando, y podemos configurar el color, límite,rango, tiempo de visualización y velocidad de recepción de cada uno.




A continuación, fijaremos el valor de la consigna en el 70 % (desde la tabla de variables) yobservaremos las tendencias de salida (LMN), proceso (PV) y error (ER).

.




Introduciremos un nuevo valor en la consigna, 40 %, y observaremos las tendencias desalida (LMN), proceso (PV) y error (ER).

Pondremos el regulador en modo manual, fijando el bit DB41.MAN_ON en “1” y el valor desalida en modo manual (MAN) en el 60 %.

Como se puede observar, el valor de salida, en modo manual, se ajusta al 60 %.




Recordemos que en el bloque OB100 hemos programado hacer un reset automático de lafunción cada vez que la CPU pasa de STOP a RUN, pero podríamos hacer lo mismo cadavez que lo consideremos necesario, fijando el bit DB41 Maila.COM_RST en “1”.

2 .4 COMPROBACI ÓN DEL EFECTO QUE TI ENEN LOS

PARÁM ETROS PI D DEL REGULA DOR EN EL PROCESO Y

VERI FI CACI ÓN DE LA TEORÍ A.

A continuación configuraremos el regulador como P y PI, así, podremos comprobar losefectos de los valores Kp y Ti que ya conocemos. El efecto del parámetro Td no secomprobarÁ en el caso del nivel o volumen, pues no tiene mucho sentido.

En esta ocasión, el objetivo del sistema no es encontrar los parámetros adecuados, yaque, en los sistemas reales, en la estructura SIEMENS y en los casos en los que los PID serealizan con software (PID Control, Standard PID Control y Modular PID Control), se puedeusar un software especial para sintonizar os parámetros (PID Self-tuner).




En cambio, en los casos en los que la regulación se realiza con tarjetas especiales, éstasllevan definidas unas funciones para realizar la auto-sintonía.

Excepto en los casos arriba mencionados, la sintonización de los parámetros la podemosrealizar utilizando los métodos de siempre “prueba / error” o “Ziegler Nichols”.

2 .5 EFECTO DEL REGULA DOR P

En el siguiente gráfico se puede observar el efecto sobre un regulador que es solo del tipoP, esto quiere decir que en el sistema siempre habrá un error, mayor o menor, según elvalor del parámetro Kp. El sistema no se podrá regular del todo sólo con el parámetro Kp,ya que siempre habrá un error en el sistema de regulación, aunque sea mínimo. Porejemplo: (Kp = 5), (Error= 8.7 %)

Subiremos Kp= 20, el sistema es más rápido, ha bajado el error, pero sin desaparecer deltodo (error= 2.3 %).




Podemos subir la Kp (por ejemplo, Kp= 70) pero, sin que el error desaparezca del todo, elsistema empezará a oscilar, tal y como se observa en la siguiente imagen. El error serámás pequeño, pero no se anulará. ( error = 0.97 %).

2 .6 EFECTO DEL REGULA DOR PI

En esta ocasión probaremos el efecto de la acción integral I, activando el parámetro I_SELde la tabla de variables (I_SEL=1). Así pues, a partir de ahora trabajaremos con elregulador del tipo PI, que es el adecuado para este proceso. De este modo, cuando hayacambios de consigna, el régimen transitorio se hace notar la acción proporcional, mientrasque en el régimen permanente el error desaparecerá por completo a causa de la acciónintegral. En la siguiente imagen observamos un regulador PI (Kp=20 y Ti = 5 Seg). Elvalor de error= 0.034 %, por lo que la regulación es del todo exacta.




3 . REGULAR EL PROCESO CON OTROS LÍ MI TES

Hasta ahora, la regulación se ha realizado en porcentajes. Por esta razón, los valoressignificativos SP, error y PV se han expresado en porcentajes. Tal y como se ha explicado

en la actividad nº 3, a veces suele ser conveniente el rango de regulación en otrasunidades.

3.1 REGULACI ÓN DEL NI VEL EN EL I NTERVALO 0….300 m m

En este caso, como estamos regulando el nivel, al igual que en la regulación de consigna,la altura del depósito puede estar en milímetros. Lo que hasta ahora ha sido un rango del0 %, será de 0 mm y, lo que ha sido del 100 %, será de 300 mm.

Para la adecuación de este rango, se deben ajustar los parámetros de la funciónPV_NORM. PV_FAC=3 y PV_OFF = 0




Tal y como se puede observar en el gráfico de tendencias, el SP, PV y el error de laregulación se encuentran en el intervalo del 0 al 300. Al principio hemos ajustado laconsigna SP a 150 mm, después la hemos bajado a 100 mm y ha seguido regulando y, porúltimo, la hemos subido a 170 mm y sigue regulando satisfactoriamente.

3.2 REGULACI ÓN DEL VOLUMEN EN EL I NTERVALO DE 0….10

LI TROS

En este caso, como estamos regulando el volumen de agua de un depósito de 300 X 190 X175 mm (10 litros), la consigna de regulación la adecuaremos en este caso a la cantidadde agua del depósito. Si el rango en porcentajes hasta ahora utilizado era de 0 mm (0 %)en altura, ahora será de 0 litros. En cuanto a los valores máximos, si hasta ahora era el100 % y, en altura, 300 mm, el volumen máximo será de 10 litros.

Para la adecuación de este rango, se deben de adecuar los parámetros de la funciónPV_NORM. PV_FAC= 0.1 y PV_OFF = 0

Modificaremos los parámetros mencionados y los mandaremos al PLC. De este modo,tendremos el nuevo rango adecuado (0…10 l).

En los siguientes gráficos de tendencia se puede observar que la consigna se ha ajustado

a valores de 8, 5 y 7 litros y que la regulación es satisfactoria en todos los casos.




Después de la pruebas realizadas, se debe de tener en cuenta que en los tres casos elerror de regulación significa un rango distinto, por lo que, si la regulación del proceso serealiza en porcentajes (0 %...100 %), en altura (0…300 mm) o volumen (0….10l), losparámetros PID no serán los mismos, así:

Cuando la regulación se hace en porcentajes Kp = 20 y Ti= 5s.

Cuando la regulación se hace en milímetros Kp = 10 y Ti= 5s.

Cuando la regulación se hace en litros Kp = 200 y Ti= 5s.




4 . DESCRI PCI ÓN D E LOS ELEMENTOS DE LA MAQUETA

En este apartado se describen y especifican las características de los elementos utilizadosdel sistema Process Control System PCS 4 Est de FESTO.

ESTACI ÓN de N I VEL DE LA MAQUETA

2 depósitos (altura: 300 mm / volumen: 12 l)

Regulación nivel/volumen: mediante motobomba.

Tipo de señal del sensor de regulación: decorriente, 4…20 mA.

Para la adecuación del sensor: convertidor deseñal mA/V (4…20 mA/0... 10 V)

Otro tipo de sensores: 2 detectores capacitivos(nivel de agua máximo y mínimo) y otro detectorde boya (para evitar que el agua desborde)

Tres válvulas de agua para provocarperturbaciones y vaciar depósitos.

Dejando a un lado los ejercicios propuestos por FESTO (análisis de las características delos elementos, la comunicación, gestión de alarmas etc…) se ha trabajado con unaestructura más simple, ya que el objetivo de esta actividad es explicar cómo se realiza laregulación mediante el autómata. Así pues, la maqueta permite realizar más ejercicios(automatización, regulación conjunta de dos o tres procesos, comunicación etc.).

Antes de explicar los esquemas utilizados en la actividad, a continuación se resumen lascaracterísticas de los elementos utilizados:

DEPÓSI TO O TANQUE ( D 101 y D 10 2)

Medidas interiores: 190 x 175 x 370 mm

Contenido: 12 l.

De metacrilato

Temperatura máxima: 65º C

Regla o escala: 0 ... 300 mm.




MOTOBOMBA ( P101 )

Motor de corriente continua.

Tensión:+24 V

Potencia: 26 W

Caudal máximo: 26 l/min.(1,1 A; 0,1 bar)

DRI VER DE LA MOTOBOMBA ( A4)

Tensión de la alimentación: +24 V

Tensiones de entrada: -10 V +10 V

Tensiones de salida: -24 V +24 V

Corriente máxima de salida: 1 A.

SENSOR DE ULTRASONI DO (B1 01 )


Señal de salida analógica: 4 ... 20 mA

Distancia mínima necesaria:

S min = 50 mm (4 mA)

Distancia máxima detectada:

S max = 300 mm (20 mA)

ADECUADOR DEL SENSOR (A1)


Señal de entrada: 4 ... 20 mA

Señal de salida: 0... +10 V

Resistencia de entrada: R < 400 Ω

VÁLVULAS DE AGUA ( V 101 y V 30 7)

Válvulas que regulan el paso del agua para variarlas perturbaciones y llenar el depósito.

Temperatura máxima de trabajo: 114º C

Presión máxima: 6 bares.

4 .2 ESQUEMA ELÉCTRI CO

A continuación se especifican los esquemas utilizados en esta actividad.




(B 101)

A FEB C D

2

3

1

4

5

6

7

8

9

2

1

3

4

5

6

7

8

9

Fecha:Plano nº 1

REGULACI ÓN DE NI VEL/ VOLUMENSI EMENS S7

CONEXIONADO DEELEMENTOS

V 101 Válvula

LIC 101 Sensor de nivel 4 .. 20 mA0/300 mm

P 101 Motobomba 26 l/min0 ... 24 V

D 102 Depósito 12 l0-300 mm

V 102 Válvula

A1 Acondicionador Corriente/tensión 0 ... 10 V4 ..20 mA

A4 Regulador de velocidad 0 ... 24 V0 ... 10 V

A5 Autómata S7- 314C – 2DP DI24/DO16AI5 /AO2

D 101 Depósito 12 l0-300 mm

Elementos Carac ter ís t i cas

LIC

101

D 102

D 101

Perturbación V 101

M

V 102

A1 A2




LIC101

M

A FEB C D

2

3

1

4

5

6

7

8

9

2

1CONTROL

3

4

5

6

7

8

9

Fecha:Plano nº 2


DIAGRAMA DEBLOQUES

PID

K1

B 101

V

V

P 101

0 ... 300mm

4 .. 20 mA

0 ... 10 V

A1A2

X2.2

Transduc to rSensorNive l

0 m m1 5 0 m m3 0 0 m m

4 m A1 2 m A2 0 m A

0 V5 V

1 0 V

SENSOR

ACTUADOR

TRATAMI ENTO DE LASSEÑALES

H

PLC ( FB41 )

PEWxxx PAWxxxX2.3

X2.8

X2.6

23 22

4

0 ... 24 V

14 13

6 5

V

mA1

2 4

0 ... 10 V




LIC101

M

A FEDCB

2

3

1

4

5

6

7

8

9

2

3

1

4

5

6

7

8

9

Fecha:Plano nº 3


ESQUEMA DECONEXIONES

230VAC

24 V5A DC

12345678910

11121314151617181920

IV

AI 0

IV

AI 1

IV

AI 2

I

V

AI 3

AI 4

AO 0

AO 1

DI8 x 24VAI5 /AO2

CPU 314C-2DP

21 +24V222324 A 252627282930

31323334353637383940

124.2

DI16 / DO16x 24V

A1

B1 0 1

mA

V

A4

P

1 0 1

0 ... 10 V4 .. 20 mA

0 ... 10 V0 ... 24 V

2 +

4

6 +

5

8

2 2 +

2 3 -

1 3 +

1 4 -

1 1

1 2 2 1

A1

A2

K1

K1

6

2

3

X2

2

0VA

+ 2 4 V

0 V

+ 2 4 V

0 V

+ 2 4 V

0 V

XMA1

+ 2 4 V 0 V

Transduc to rSensorNive l

0 m m1 5 0 m m3 0 0 m m

4 m A1 2 m A2 0 m A

0 V5 V

1 0 V

MPI DP

M

L

L1 N PE

SENSORACTUADOR

TRATAMI ENTO DE LASSEÑALES

CONTROL

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