2.3 Solvation Modelling
3.1.4 Experimental Studies
Posteriormente se realizó el circuito físicamente para amplificar las señales de voltaje de los sensores, fotografía 3.1.
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3.4.2 Tablero de Control
Como se puede observar en la fotografía 3.2 el tablero cuenta con botones normalmente abiertos y normalmente cerrados con los cuales se controlan las entradas para el tablero de nivel y flujo, así como el encendido del sistema en general.
Fotografía 3.2 Tablero de Control
3.5 Cálculos y Configuraciones
Los circuitos empleados en el proyecto conllevan un cálculo matemático previo para obtener los parámetros deseados, los cuales se explicaran detalladamente a continuación.
3.5.1 Circuito Amplificador
Como se mencionó anteriormente el sistema requiere de un circuito amplificador y este a su vez requiere de ciertos cálculos pertinentes para poder obtener los resultados deseados. Para amplificar la señal se requiere de un amplificador operacional (OPAMP) no inversor que se caracteriza el escalamiento de voltajes, es decir, multiplicar el voltaje de salida de algún componente por una constante K para obtener el voltaje deseado.
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Esto se logra a través de la configuración que se le haga al Amplificador Operacional, es decir, como se conecten los componentes necesarios para realizar esta acción; la configuración para este caso se observa en la figura 3.2.
Fig. 3.2 OPAMP No Inversor
Y se rige por la ecuación 3.1.
𝐾 = 𝑣𝑖𝑛 𝑣𝑜𝑢𝑡
= 1 +𝑅𝑓 𝑅𝑖
Ecuación 3.1 OPAMP No Inversor
Siguiendo este modelo y proponiendo el valor de Rf igual a 1KΩ se obtiene el valor
de Ri de 220Ω para una ganancia de 5.
3.6 Programación y Algoritmo
Los PLC basan su funcionamiento en programas que el usuario le carga para que este haga lo deseado por el programador, de igual manera para el desarrollo de la programacion del sistema SCADA, se emplearon los siguientes software:
1.- Simatic Step 7
Este programa, impresión de pantalla 3.1, ayuda al desarrollo del diagrama de escalera que se usará para controlar las distintras entradas del sistema, ya sean
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digitales o analogicas; ademas ayuda a seleccionar los distintos elementos que conforman el PLC que se emplearán.
Impresión de Pantalla 3.1 Step 7 Simatic V 5.4 SIEMENS
2.- LabView 2013
Para el monitoreo de las distintas variables se realizó una interfaz gráfica, que nos muestra los datos obtenidos en tiempo real. Para ello se emplea el software LabView 2013, impresión de pantalla 3.2.
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3.6.1 Simatic Step 7
Una vez abierto el Simatic Step 7, se procedió a diseñar el tipo de PLC que se emplea para el sistema SCADA que se está desarrollando, como se muestra en la impresión de pantalla 3.3, se deben de cargar en el programa todos los datos del equipo al cual se le programará, empexando por el Bastidor y seguido el tipo de CPU y de fuente de alimentacion, despues de esto se agregan las tarjetas de entrada y salida con las que se cuenten, esto es para que el programa step 7 sepa con que herdware se cuenta y se puede trabajar y programar.
Impresión de Pantalla 3.3 Bastidor de diseño del PLC
Una vez completado lo anterior, se desarrolla la programacion en escalera que ayuda al control de las variables del sistema, como se muestra en la impresión de pantalla 3.4.
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Impresión de Pantalla 3.4 Diagramas de Escalera
Como se puede observar en el diagrama 3.4, el diagrama de escalera se divide en segmentos que contienen un “escalón”, es decir una pequeña parte de todo el diagrama que en conjunto con los demás escalones, componen un programa completo. Estos segmentos pueden contener diversos elementos internos del PLC a los que da acceso el software.
3.6.2 LabView 2013
Los programas de LabVIEW son llamados Instrumentos Virtuales o VI ya que su apariencia y operación imitan a los instrumentos físicos. LabVIEW contiene una
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extensa variedad de herramientas para adquirir, analizar, visualizar y almacenar datos, así como herramientas para ayudarle a solucionar problemas en el código que escriba.
Cuando crea un nuevo VI, ve dos ventanas: la ventana del panel frontal y el diagrama de bloques, como las que se muestran en las impresiones de pantalla 3.6 y 3.7 respectivamente, donde se trabajan las entradas y salidas analógicas o digitales, así como las distintas variables que intervienen en el desarrollo de proyecto.
En la impresión de pantalla 3.5, se observa las ventanas del panel frontal, esta ventana es la interfaz de usuario para el VI.
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Después de crear la ventana del panel frontal, se añade el código usando representaciones gráficas de funciones para controlar los objetos del panel frontal. La ventana del diagrama de bloques, impresión de pantalla 3.6, contiene este código de fuente gráfica
LXVII
Capítulo 4
Pruebas y
Resultados
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Pruebas y Resultados
Capítulo 4
En este capítulo se muestran las pruebas que se realizaron a lo largo del proyecto para su óptimo funcionamiento, así como los resultados obtenidos de dichas pruebas, documentando cada método aplicado a los componentes del proyecto y su progreso.
4.1 Prueba de la planta de pH 38-716
La planta de pH, figura 4.1, se compone de cuatro tanques; los dos tanques laterales es donde se depositan los reactivos a mezclar, en el tanque superior se realiza la mezcla y en el tanque central de mayor volumen se deposita la solución. Además cuenta con dos válvulas solenoides y una servoválvula de control, un agitador, un sensor de pH, tuberías y cableado de conexión (véase anexo II).
Fotografía 4.1 Feedback pH Process Rig 38-716
La parte posterior del tablero de pH, figura 4.2 está formada por dos bombas de agua conectadas a la tubería de la parte frontal del tablero, también se cuenta con una fuente de alimentación que trabaja a 220 VCA y convierte a un voltaje de 12 VCD.
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Fotografía 4.2 Bombas del tablero pH Process Rig 38-716
4.1.1 Funcionamiento del tablero de pH 38-716
En los tanques laterales (efluente y reactivo) se deposita el líquido que se va a mezclar; se enciende una bomba y la respectiva válvula solenoide para subir el fluido; posteriormente se enciende la otra bomba junto con la válvula solenoide correspondiente.
Una vez que se cuenta con el suficiente líquido en el tanque superior, las bombas y las válvulas solenoides son desactivadas para que el líquido deje de subir. El agitador comienza a funcionar por un tiempo determinado, hasta que la mezcla sea homogénea.
El sensor de pH se introduce en el tanque superior, desde que la mezcla está en contacto con el sensor se detecta el nivel de pH por medio de una señal eléctrica.
Finalmente la solución obtenida de la mezcla con un determinado nivel de pH se pasa al tanque central al abrir una válvula manualmente (véase anexo III).
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4.1.2 Observaciones del tablero de pH Rig Process 38-716
La planta de pH 38-716 ha estado fuera de servicio por tres años. Se presentan algunas fallas en su funcionamiento, además tiene residuos de sales por la falta de limpieza tras el último uso del equipo, fotografía 4.3.
Fotografía 4.3 Residuos de sales en el tablero Feedback pH Process rig 38-716
Tras una revisión en los elementos del tablero, se encontró una falla en el arranque de una de las bombas; primeramente se detecta que uno de los fusibles de protección de la fuente ya no es funcional. Por tanto, se procedió a cambiar el fusible.
Tras realizar el cambio de fusibles se encuentra otra falla: una de las bombas no arranca, para la deteccion de esta falla fue necesario desmontar las dos bombas para su revision; la falla se debe al deterioro de un arrancador de protección, el cual no se acciona y por lo tanto la bomba queda fuera de servicio, fotografía 4.4.
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Fotografía 4.4 bomba del tablero Feedback pH Process rig 38-716
Al no encontrar un sustituto del arrancador de protección, se determinó utilizar únicamente una bomba de la planta de pH; por lo tanto, se emplea la parte central e izquierda de la planta, fotografía 4.5 sin afectar la demostración del monitoreo y control.
Fotografía 4.5 Planta de pH (parte central e izquierda)
Además de estas fallas en el tablero, también se tiene que el sensor de pH no funciona debido al abandono y descuido, así mismo, este se tiene que obtener para el desarrollo de las prácticas y en este caso el monitoreo de dicha variable. En la fotografía 4.6 se muestran las pruebas realizadas para la comprobación del funcionamiento del medidor de pH.
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Fotografía 4.6 Pruebas del funcionamiento del medidor de pH
Al no obtener los resultados esperados se identificó que el sensor de pH ya no funcionaba; por lo tanto se procedió a adquirir uno nuevo de la familia Arduino, fotografía 4.7.
Fotografía 4.7 Sensor de pH con acoplador
4.1.3 Planta de pH automatizada con PLC S7-300
La planta de pH puede ser controlada y/o automatizada con un PLC. Se opta por la automatización por el proceso que se efectúa en la planta.
Al arrancar el sistema el PLC envía una señal de 24 VCD de tipo digital al relevador para encender la válvula solenoide, enseguida el PLC manda una señal al
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relevador para activar la bomba y comienza a subir el líquido por un tiempo establecido, al finalizar este periodo se apaga simultáneamente la bomba y la válvula solenoide; después el PLC acciona los agitadores por un determinado periodo de tiempo.
El sensor de pH se encuentra conectado en las entradas analógicas del PLC. Este dispositivo comienza a sensar el nivel de pH en el tanque superior al estar en contacto con la solución del recipiente; esta señal va a estar variando por la llegada de fluidos y por el movimiento del líquido. Sin embargo, el nivel de pH se va a estabilizar después de que el agitador termine de mezclar la sustancia.
Finalmente se tiene una mezcla líquida con un nivel de pH medido. Para extraer la solución únicamente se debe abrir manualmente una válvula de descarga.
El proceso descrito anteriormente se puede ver en la fotografía 4.8.
Fotografía 4.8 Planta de pH automatizada con PLC
El proceso puede repetirse al accionar nuevamente el botón de arranque. Y por seguridad se cuenta con un botón de paro de emergencia para detener el sistema en cualquier etapa del proceso.
4.1.4 Protocolo OPC y HMI en la Planta de pH
El Protocolo de Comunicaciones Abierto se utiliza para transmitir los datos que se adquieren de la Planta de pH mediante el PLC S7-300 a la interfaz gráfica LabVIEW.
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En el software Labview se ha diseñado un sistema gráfico representativo de la Planta de pH, impresión de pantalla 4.1, para efectuar la demostración del funcionamiento en tiempo real de las variables.
Impresión de Pantalla 4.1 Representación gráfica de la Planta de pH
Al estar en operación la Planta de pH, los sensores y actuadores son monitoreados con la Interfaz Humano Máquina. El comportamiento del sistema se muestra en la fotografía 4.9.
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4.2 Prueba de la Planta de procesos de Nivel y Flujo 38-100
La planta de nivel y flujo, figura 4.1, está compuesta de dos tanques; en el tanque inferior se deposita el agua con la cual funciona el sistema y el tanque superior que está dividido en dos partes (según se requiera un determinado volumen de agua). El tablero cuenta con una servoválvula, tres válvulas solenoides, cinco válvulas manuales que permiten o impiden el paso del fluido. También se compone de un flujómetro (analógico) y un sensor de flujo (digital) para determinar el caudal. Además tiene tuberías de ½ pulgada para distribuir el líquido.
Fig. 4.1 Feedback Basic Process Rig 38-100
En la parte posterior de la planta se tiene la bomba de agua que se encuentra conectada a la tubería mediante una manguera. También se cuenta con una fuente de alimentación y con las entradas de voltaje para controlar las válvulas solenoides y la servoválvula (véase anexo II).
4.2.1 Funcionamiento de la Planta de Nivel y Flujo Process Rig 38-100
El tanque inferior se llena con agua (preferentemente purificada), se abren las válvulas manuales (la perilla se pone paralela a la tubería), se activan simultáneamente la bomba y la válvula solenoide.
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El agua comienza a circular por la tubería pasando por el flujometro en el cual se puede observar la cantidad de agua que circula en litros por minutos, posteriormente el agua corre dentro de un sensor de flujo que manifiesta una señal de corriente proporcional al caudal que circula dentro del mismo.
Después el agua pasa por una compuerta controlada por una servoválvula que puede limitar el flujo de agua dependiendo de la posición de la servoválvula; finalmente el agua llega al tanque superior donde se puede almacenar un volumen determinado, como medida preventiva se cuenta con una tubería de descarga para evitar un posible desbordamiento por la parte superior del tanque.
Sin embargo, el agua en el tanque superior puede ser drenada con la válvula manual y con un par de válvulas solenoides. Al realizar el drenado del tanque superior el agua desciende al tanque inferior, de esta manera se efectúa la retroalimentación del sistema y únicamente se emplea una mínima cantidad de agua que es reutilizada (véase anexo III).
El proceso descrito anteriormente se puede ver en la fotografía 4.10.
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4.2.2 Observaciones de la Planta de Nivel y Flujo Process Rig 38-100
La planta Basic Process Rig 38-100 se encuentra en buen estado y muestran un buen desempeño todos sus elementos excepto la servoválvula y la compuerta, fotografía 4.11.
Fotografía 4.11 Servoválvula y Compuerta
Al poner en marcha la servoválvula se percibió que el tren de engranes tenía dificultades para mantenerse estable; paralelamente se notó que la compuerta no realizaba adecuadamente su función (abrir/cerrar en proporción al voltaje suministrado). Por lo tanto, se procedió a retirar la servoválvula del tablero y a desarmar el arreglo de engranes para detectar la falla, fotografía 4.12.
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Una vez arreglado el problema que se presentó, se procedió a reajustar el tren de engranes y se montó con precisión la servoválvula en el tablero, fotografía 4.13.
Fotografía 4.13 Montaje de los engranes
Al final se comprobó que la compuerta ya respondía adecuadamente; es decir, permite el paso del agua cuando la servoválvula es alimentada en su máxima capacidad, mientras que limita el flujo del líquido conforme el voltaje disminuye.
4.2.3 Planta de Nivel y Flujo controlada con PLC S7-300
La planta de Nivel y Flujo puede ser controlada y/o automatizada con un PLC. Se opta por el control de la planta para realizar distintas demostraciones.
Antes de encender el sistema se deben abrir las válvulas manuales correspondientes. Se recomienda encender primero la válvula solenoide y consecutivamente la bomba para comenzar a subir agua del tanque inferior al superior.
Se cuenta con una servoválvula conectada al PLC, con la cual se puede limitar el flujo de agua, de esta manera el sensor de flujo puede variar su respuesta eléctrica, ya sea que aumente a disminuya el caudal dentro de la tubería. Asimismo el sensor de nivel también responderá cuando el agua ascienda o disminuya en el tanque superior.
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Cuando se ha llenado el tanque superior se puede desalojar el agua de dos formas distintas. La primera es accionando una válvula solenoide para descargar el líquido al tanque inferior. La segunda es abriendo manualmente una válvula de descarga. Y para efectuar un desalojo de agua más rápido se puede accionar la válvula solenoide y abrir la válvula manual.
El proceso descrito anteriormente se puede ver en la figura 4.14.
Fotografía 4.14 Planta de Nivel y Flujo controlada con PLC
Las válvulas solenoides, la bomba y la servoválvula pueden ser accionadas y detenidas en cualquier momento. Tambien se cuenta con un botón de paro general para la protección de los usuarios y del sistema.
4.2.4 Protocolo OPC y HMI en la Planta de Nivel y Flujo
El Protocolo de Comunicaciones Abierto se emplea para transmitir los datos que se adquieren de la Planta de Nivel y Flujo mediante el PLC S7-300 a la interfaz gráfica LabVIEW.
En el software Labview se ha diseñado un sistema gráfico representativo de la Planta de Nivel y Flujo, impresión de pantalla 4.2, para efectuar la demostración del funcionamiento en tiempo real de las variables.
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Impresión de Pantalla 4.2 Representación gráfica de la Planta de Nivel y Flujo
Al estar en operación la Planta de Nivel y Flujo, los sensores y actuadores son monitoreados con la Interfaz Humano Máquina. El comportamiento del sistema se muestra en la Figura 9.
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Tabla de Pruebas y Resultados
Prueba Fecha Resultado
Planta de pH 14 Mayo 2015 Fallas en una de las bombas.
Planta de pH 15 Mayo 2015 Revisión de la fuente de alimentación y elementos de protección del sistema
para descartar fallas.
Planta de pH 19 Mayo 2015 Revisión del sensor de pH y detección fallas en el
censado.
Planta de pH 20 Mayo 2015 Funcionamiento del sistema con una sola
bomba.
Planta de nivel-flujo 19 Octubre 2015 Detección de falla en las servo-válvula
Planta de nivel-flujo 20 Octubre 2015 Compostura de la servo- válvula.
Planta de nivel-flujo 29 Octubre 2015 El funcionamiento del tablero es correcto.
Programación PLC 4 Diciembre 2015 Prueba de secuencias de control en el PLC.
Conexiones eléctricas de tableros y PLC
4 Diciembre 2015 Las conexiones son
correctas por que los actuadores responden de manera satisfactoria a la secuencia programada.
Programación y pruebas HMI
5 Diciembre 2015 El programa funciona correctamente y se observan los valores de
las variables.
Comunicación OPC 5 Diciembre 2015 La comunicación OPC no es posible y se concluye
que es a causa de las distintas conexiones que
se establecen entre el PLC y la PC.
Pruebas sistema SCADA
5 Diciembre 2015 El sistema SCADA fue probado de manera parcial debido a que la comunicación OPC no fue
LXXXII
Conclusiones y
Recomendaciones
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Conclusiones
El desarrollo de un sistema SCADA coadyuva en el aprendizaje de los alumnos de la ESIME Culhuacán de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica de la especialidad de Control. Se aplican conocimientos adquiridos en octavo semestre de las materias de Instrumentación de Procesos y Control de uso de PLC, así como de noveno semestre de Control Distribuido y Sistemas de Adquisición de Datos.
El uso del PLC S7-300 de Siemens es una gran herramienta de uso industrial, provee un control preciso del sistema, alta velocidad de respuesta, bajo consumo de energía, menor número de componentes en cableado, flexibilidad y una amplia adaptabilidad a distintos sistemas.
El monitoreo de las variables en las plantas de procesos mediante una interfaz gráfica (HMI) facilita al operador la supervisión de los procesos, el control de las operaciones y la gestión de los datos.
El Protocolo de Comunicaciones OPC es un estándar que permite la interoperabilidad entre LabVIEW y el PLC; a partir de drivers y software es posible la transmisión de datos de campo que son interpretados fácilmente por el usuario mediante una Interfaz Humano Máquina.
La implementación del sistema SCADA en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Culhuacán incita a los alumnos al aprendizaje de alto nivel impartido en la especialidad de Control.
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Recomendaciones
En la planta de pH se sugiere adquirir un Sensor de pH idéntico al que llego con el equipo, para realizar prácticas en distintas materias de la especialidad de Control. También se invita a componer la bomba de este tablero; o en dado caso comprar una bomba con las mismas características.
Se recomienda agregar botones en el interfaz humano máquina para controlar el sistema desde la PC. También se sugiere hacer un registro de datos en algún software compatible como Excel.