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Control _Planta _En

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MONITORIZACIÓN Y CONTROL DE UNAPLANTA PILOTO PCT23 CON LABVIEWIgnacio Faus Escribano, F. Xavier Blasco FerragudDept. de Ingeniería de Sistemas y AutomáticaUniversidad Politécnica de ValenciaCamino de Vera 14. Apdo 22012 E-46071. ValenciaTel: 96 3877007 ext: 5713, Fax: 96-3879579e-mail: xblasco@isa.upv.es web: www.ctl-predictivo.upv.esResumen<strong>En</strong> el presente documento se resume el desarrollo de unentorno de monitorización y control de una planta pilotoque simula un proceso de pasteurización. El trabajodesarrolla un entorno abierto para su uso en actividadesdocentes.<strong>En</strong> primer lugar se describe brevemente la planta,incidiendo sobre su parecido con un proceso industrialtípico. Después se describe el programa de monitorizacióny control desarrollado y se muestran sus pantallasprincipales.Posteriormente se dan algunos ejemplos de la aplicacióndel programa sobre la planta, que demuestran su correctofuncionamiento.1. IntroducciónEl presente trabajo describe un sistema de monitorizacióny control de la planta piloto PCT23 desarrollado enLabview, y la identificación y control de la misma.Además de este desarrollo se ha buscado como objetivoadicional que el sistema sea abierto para facilitar a losfuturos usuarios de la planta el estudio de distintastécnicas de control.2. Descripción de la plantaFig. 1. <strong>Planta</strong> piloto PCT23La planta piloto PCT23 es un símil de un procesoindustrial de pasteurización continua a altas temperaturas yde corto periodo. <strong>En</strong> este proceso se calienta un productoa una temperatura elevada, se mantiene durante un cortoperiodo de tiempo y después se enfría rápidamente. Paraello la planta consta de un calentador de agua, dos tanquesde almacenamiento del producto, un intercambiador decalor a placas y un conjunto de accionadores (bombas develocidad variable y válvulas) y sensores (temperatura,nivel, potencia del calentador y caudal). Como se puedever, se trata de un sistema multivariable, con múltiplesentradas y salidas tanto analógicas como digitales.Por otra parte, presenta los problemas típicos enun proceso industrial, como zonas muertas en los motoresde las bombas, saturaciones en las acciones de control,respuestas no lineales y perturbaciones externas e internas.La planta PCT23 incluye también algunos bucles típicosindustriales:- <strong>Control</strong> de la temperatura del agua caliente enfunción de la potencia aplicada.- <strong>Control</strong> de la temperatura del producto calentado(transferencia de calor del intercambiador) enfunción de:- la velocidad del motor de la bomba decirculación de agua caliente.- la potencia aplicada al calentador.- o mediante un control en cascada quecontrole la temperatura del tanque de aguacaliente y la velocidad de la bomba.- <strong>Control</strong> del caudal del producto en función de lavelocidad de la bomba de circulación de producto.- <strong>Control</strong> del nivel de uno de los tanques dealmacenamiento en función de la velocidad de labomba de circulación de producto.- <strong>Control</strong> de la potencia del calentador.3. Programa de monitorización y controlPara la comunicación entre la planta y el PC se ha utilizadouna tarjeta de adquisición de datos (DT2811 de DataTranslation) con el inconveniente de que no se disponía delos drivers necesarios para Labview. Por esta razón, sehan implementado en C (después se han compilado en dll´spara poder utilizarlas en Labview) las funciones básicaspara poder adquirir y exportar datos analógicos y digitalespor medio de la tarjeta.Una vez hecho esto, se ha desarrollado mediante Labviewun entorno gráfico de monitorización y control de todaslas variables del sistema, cuyas pantallas principales semuestran a continuación:


Por otra parte, el programa es un sistema abierto y estápreparado para que cualquier usuario puede implementarfácilmente en él sus propios controladores en Labview oen lenguaje C. <strong>En</strong> la pantalla de diagrama de Labview(donde se encuentran todas las funciones y conexionesnecesarias para el funcionamiento del programa) se haañadido una sección, separada de las demás, en la que seencuentran todas las medidas y controles del proceso conla finalidad de que el usuario las conecte a loscontroladores diseñados sin necesidad de modificar lasdemás partes del programa. Estas características permitenla utilización del sistema con propósitos docentes puestoque se puede implementar todo tipo de controlador.Fig. 2. Pantalla principal del programa• Pantalla principal: muestra un esquema del proceso ytodas las variables medidas. Su aspecto varía enfunción de la posición del selector Manual / Autosituado en la parte inferior izquierda :- Modo manual: los accionadores de la planta(válvulas, bombas y potencia aplicada) semanipulan por medio del ratón y del teclado. Paraello se muestran en pantalla las válvulas de colorrojo o verde según su posición y los porcentajesde los distintos accionadores analógicos(controles verdes)- Modo automático: los accionadores del procesose controlan de forma automática en función delos controladores diseñados (reguladores PIDpara los accionadores analógicos , alarmas deacción para las válvulas, etc). <strong>En</strong> este caso semuestran en pantalla los parámetros de losreguladores, alarmas, etc. diseñados por elusuario.4. Ejemplos y resultadosPara probar el funcionamiento del programa en modoautomático, se ha realizado un control multivariable queincluye los siguientes bucles (las variables en negrita seencuentran en las figuras 1 y 2):- Bucle 1: T2 (temperatura del agua caliente) enfunción de la potencia del calentador (PWRM).- Bucle 2: T1 (temperatura) en función de lavelocidad de la bomba N2.- Bucle 3: F1 (caudal) en función de la velocidad dela bomba N1.<strong>En</strong> primer lugar se ha realizado la identificaciónexperimental en bucle abierto de cada uno de ellos.Posteriormente se ha diseñado un regulador PID para cadabucle.Por otra parte, para controlar el estado de las válvulas seutilizan alarmas de acción. Por ejemplo, la válvula SOL 1desvía el producto calentado hacia el desagüe cuando sutemperatura (T1) no es la adecuada y la válvula SOL 4 seabre cuando el nivel del tanque es menor que la referenciaintroducida por el usuario.Fig. 3. Pantalla de gráficas• Pantalla de gráficas: en esta pantalla se representan endistintas gráficas las variables mas representativas delproceso. También se muestran las acciones de control(bombas y potencia del calentador) y las referenciasde las variables controladas (flujo, T1, T2 y potencia)Fig. 4. Identificación bucle 3A continuación se muestran algunos ejemplosresultados:y


- Ejemplo 1. Identificación y control del Bucle 3:Para hallar el modelo de este bucle se han introducidoescalones en bucle abierto, obteniendo respuestas como lase muestra en la figura (Fig. 4).Al introducir un escalón en bucle abierto, la respuesta essubamortiguada y presenta un retardo, por lo que elmodelo matemático del bucle abierto será de la forma:−TsK·e KG(s)= ≈(1 + τs)(1 + τs)·(1+ Ts)−1(El retardo se aproxima a un polo en s = )TLos parámetros del modelo se obtienen de las gráficas.Finalmente, el modelo en bucle abierto es el siguiente:2.89 mlG(s)=(1 + 0.96s)·(1+ 0.63s)/ min%Ante escalones de distinta magnitud el modelo obtenido esprácticamente idéntico. Este modelo se ha validadocomparando la respuesta real del proceso con unarespuesta simulada en Simulink de Matlab.Los reguladores diseñados para cada uno de los bucles sehan implementado en C en forma de ecuación endiferencias y se han compilado en una dll para poderutilizarlos en Labview. <strong>En</strong> la figura (Fig. 5) se muestra elresultado obtenido en el control del bucle 3 con elregulador diseñado.- Ejemplo 2. <strong>Control</strong> multivariable de T1 y T2Para controlar las variables T1 y T2 los reguladoresdiseñados (También por el método de cancelación) son lossiguientes:PI ⎛ 1 ⎞ %s T 1() = 8.469⎜1+ ⎟⎝ 234.5· s ⎠ º CPI ⎛ 1 ⎞ %s T 2() = 6.803⎜1+ ⎟⎝ 1435· s ⎠ º CLa figura (Fig. 6) muestra la respuesta de ambas variablesal variar la referencia en el bucle de control de la variableT1:Para ilustrar la forma de introducir un controlador en laaplicación se ha diseñado e implementado un controlbásico con reguladores de tipo PID.Para controlar el caudal de producto a través delintercambiador de calor se ha diseñado un regulador PI decancelación. De esta manera se ha conseguido que el errorde posición sea nulo y que el tiempo de establecimiento dela respuesta sea lo menor posible sin sobreoscilar. Elregulador diseñado es el siguiente:⎛ 1 ⎞ %PI ( s)= 0.131⎜1+ ⎟⎝ 0.96· s ⎠ ml / minFig. 6. <strong>Control</strong> multivariable<strong>En</strong> esta gráfica se puede observar que los bucles 1 y 2interactúan entre sí.Pese a la interacción entre las variables controladas,mediante el control multivariable se consigue que éstas semantengan cerca de las referencias correspondientes.5. ConclusionesComo conclusión cabe destacar que se ha implementadoen Labview y lenguaje C una plataforma, robusta y flexibleque permite operar con un proceso relativamentecomplejo. El desarrollo ha tratado de conseguir un entornográfico amigable para simplificar el trabajo al operador.Fig. 5. <strong>Control</strong> bucle 3Aunque se trata de un prototipo de laboratorio pensadopara aplicaciones docentes y de investigación, eldesarrollo podría trasladarse (con unas pocas


adaptaciones) a procesos industriales puesto que laproblemática de esta planta es similar a la que se encuentraen la industria.El desarrollo es susceptible de mejoras en el sentido deañadir funciones que cada vez son más comunes como porejemplo posibilidad de conexión en red para operacionesremotas.6. Referencias[1] PID controllers: Theory, design and Tuning (2º edition).Ström, KJ.; Hägglund,T. Instrument society of America. 1995.[2] Process <strong>Control</strong>. Designing Processes and <strong>Control</strong>Systems for Dynamic Performance. T. E. Marlin. Mc Graw-Hill. 1995.[3] Sistemas automáticos. Blasco Ferragud, F. Xavier; MartínezIranzo, Miguel A.; Sanchis Sáez, Javier; Senent Español, JuanS. Universidad Politécnica de Valencia. 2000.[4] Manual de instrucciones de la planta PCT23. Armfield, Ltd.2000.[5] LabVIEW signal processing. Mahesh L. Chugani, Abhay R.Samant, Michael. Cerna. - Upper Saddle River: Prentice-HallPTR. 1998.

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