diseño de un sistema de automatización para un canal de
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Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 1
PROYECTO DE GRADO
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELECTRÓNICO
por
Jose Alejandro Zamora Villamizar
Diseño de un Sistema de Automatización para un Canal de Riego.
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 2
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Composición del jurado
- Asesor: José Fernando Jiménez Vargas
- Jurados : Nicanor Quijano Silva, Alirio Acuña Gomez
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 3
ÍNDICE
Índice ................................................................................................................................................ 3
Introducción ...................................................................................................................................... 5
Objetivos ........................................................................................................................................... 6
Objetivo General ........................................................................................................................... 6
Objetivos Específicos ..................................................................................................................... 6
Alcance y productos finales. .......................................................................................................... 6
Marco Teórico ................................................................................................................................... 6
Canal de Riego ............................................................................................................................... 6
Sistema de control ......................................................................................................................... 6
PLC (Programmable Logic Controller) ......................................................................................... 7
Módulo de E/S Digital ................................................................................................................ 7
Módulo de E/S Análogo ............................................................................................................. 7
CompactRIO .............................................................................................................................. 7
Sensores y Actuadores ................................................................................................................... 7
Fin de carrera ............................................................................................................................ 7
Sensor ultrasónico ..................................................................................................................... 7
Electroválvula ............................................................................................................................ 7
Servomotor AC .......................................................................................................................... 8
Control PID .................................................................................................................................... 8
Componente proporcional ......................................................................................................... 8
Componente integral ................................................................................................................. 8
Componente diferencial ............................................................................................................ 8
PID Compact .............................................................................................................................. 9
Definición y Especificación del trabajo ............................................................................................... 9
Metodología del Trabajo ................................................................................................................. 10
Trabajo Realizado ............................................................................................................................ 10
Identificación del canal ................................................................................................................ 10
Reconocimiento de Restricciones y Tecnología. ........................................................................... 11
Sensores de nivel ......................................................................................................................... 11
Planos.......................................................................................................................................... 13
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Servopack .................................................................................................................................... 14
Fines de Carrera .......................................................................................................................... 15
Ethernet ...................................................................................................................................... 17
Electroválvulas ............................................................................................................................ 17
Pruebas Iniciales .......................................................................................................................... 18
Caracterización canal de riego ..................................................................................................... 21
Auto sintonización ....................................................................................................................... 25
Configuración .......................................................................................................................... 25
Controlador Auto sintonizado .................................................................................................. 26
Filtro............................................................................................................................................ 28
Diseño Controlador ..................................................................................................................... 30
Conclusiones y trabajos futuros ....................................................................................................... 32
Anexos ............................................................................................................................................ 33
Planos fines de carrera. ............................................................................................................... 33
Planos tubería de salida ............................................................................................................... 36
Planos Eléctricos .......................................................................................................................... 36
Ladder Tia Portal ......................................................................................................................... 39
Main OB1 ................................................................................................................................ 39
OB30 Cyclic interrupt ............................................................................................................... 42
DB2 Crear ................................................................................................................................ 43
Variables.................................................................................................................................. 43
Referencias ..................................................................................................................................... 44
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INTRODUCCIÓN
El cambio climático a nivel mundial es innegable y preocupante. Actualmente se reportan niveles sin precedentes en contaminación del aire, olas de calor, riesgos a la seguridad alimentaria y demás consecuencias que generan gran impacto en la calidad de vida de la población (ONU, 2019). Teniendo en cuenta que las estrategias para combatirlo se basan tanto en el Acuerdo de París sobre el Cambio Climático como en los Objetivos de Desarrollo Sostenible, hay una multiplicidad de problemáticas a abordar. El presente proyecto se enfocará en el objetivo 6 de Las Naciones Unidas, el cual propone “Garantizar la disponibilidad de agua y su ordenación sostenible y el saneamiento para todos" (ONU, 2016), enfocado a una solución en el sector agrícola, entendiendo que la Acción Climática de la organización para el año 2019 reconoce el uso de las nuevas tecnologías y soluciones ofrecidas por la ingeniera para promover el cambio hacia las prácticas de agricultura inteligente, entre otras cosas. Teniendo en cuenta lo anterior, cabe anotar que, la industria agrícola ha venido desarrollando sistemas de riego con el fin de optimizar el uso racional del agua y así mismo mantener los cultivos en un estas óptimo para su producción. Así que es necesario implementar soluciones tanto óptimas cómo inteligentes para enfrentar la escasez de agua, alimentos y el calentamiento global. En cuanto a los avances que existen hoy día en los canales de riego, se han desarrollado, por ejemplo, proyectos en los cuales existe un sistema de acumulación y distribución del agua a los cultivos, sistema que requiere tanto de una buena infraestructura cómo de una buena instrumentación y control. Así mismo, tanto la infraestructura como la instrumentación y el control han de proveer un ambiente seguro, con el fin de evitar errores o accidentes que pongan el riesgo los cultivos a tratar o la seguridad del hombre. Todo esto pudiéndose lograr con el uso racional y óptimo del agua. Dado el contexto anterior, la Universidad de Los Andes cuenta con un grupo de investigación y desarrollo del Departamento de Ingeniería Civil, el cual está interesado estudiar más a fondo los sistemas de riego, tanto en su funcionamiento y caracterización como en su automatización. Es así como el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica toma parte de dicha investigación asumiendo el área de control y automatización del sistema de riego. Actualmente el Departamento de Ingeniería Civil ya tiene el montaje físico del canal de riego dedicado a investigación y enseñanza. Ahora bien, dicho canal cuenta con cuatro compuertas las cuales permitirán la regulación de los canales de riego, adicional, las protecciones físicas ya se encontrarán montadas (Sensores de nivel, desagües, límites de caudales, etc.) así pues, queda por desarrollar todo el sistema de control y automatización.
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En este orden de ideas, el objetivo de este proyecto de grado será realizar la programación electrónica necesaria en el canal de riego, para poder generar un sistema de automatización y control eficiente, adicional a esto es de vital importancia poder generar una comunicación para un control supervisado entre un Siemens 1500 y un CompactRIO. Todo esto va enfocado en tener un sistema autónomo para realizar investigaciones, y así mismo, que se pueda usar por parte de los departamentos de Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Ingeniería Civil, con fines académicos en las áreas de control, automatización e hidráulica.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL Diseñar e implementar un sistema de automatización para un canal de riego, dejando bases tanto para
futuras investigaciones como para un sistema de enseñanza y prácticas seguras.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Realizar la caracterización del canal de riego para proceder a realizar control sobre el mismo.
• Realizar las adecuaciones necesarias sobre el canal existentes para su uso y funcionamiento.
• Programar PLC Siemens 1500 para realizar control directo.
ALCANCE Y PRODUCTOS FINALES. El alcance de este proyecto es la puesta a punto del canal de pendiente fija instalado en el laboratorio de hidráulica para su uso. Adicional a esto, la caracterización y programación del sistema de automatización del canal de riego con fines de investigación y enseñanza. Se realizará la programación necesaria para tener el PLC dispuesto hacia labores tanto de investigación como de enseñanza. Cabe aclarar que, dentro de las labores de enseñanza es necesario programar protecciones para que el canal de riego no sufra ningún daño físico causado por un mal control o dimensionamiento de éste.
MARCO TEÓRICO
En este segmento se darán a conocer los conceptos básicos necesarios relacionados a este proyecto
para su comprensión.
CANAL DE RIEGO Un canal de riego es un conducto, natural o artificial que permite el transporte y utilización del agua.
Su objetico es optimizar este recurso en los cultivos. Existen diferentes tipos de canales, normalmente
se definen por su tipo de construcción, su tamaño o su estructura.
SISTEMA DE CONTROL Dentro del sistema de control se tiene diferentes componentes y conceptos los cuales será explicados
a continuación.
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PLC (Programmable Logic Controller)
Un PLC, un controlador lógico programable, es un instrumento electrónico que utiliza una memoria
programable para guardar instrucciones sobre determinas secuencias de funciones, como lo son
secuencias lógicas, operaciones matemáticas y cálculos mediante módulos de entradas y salidas
análogas o digitales aplicadas a diferentes procesos electromecánicos.[1]
Módulo de E/S Digital
Un módulo de entradas y salidas digitales permite la lectura de señales digitales de sensores o estados
de actuadores a través de sus entradas, por medio de sus salidas genera accionamientos sobre
actuadores o sensores.
Dependiendo del módulo o de su configuración la lectura de las señales lógicas depende del nivel de
tensión de que se esté trabajando.
Módulo de E/S Análogo
Un módulo de entradas y salidas análogas permite la lectura de señales análogas, ya sea en corriente,
voltaje o resistencia de señales de sensores o estados de actuadores, en este caso la señal análoga es
convertida en el módulo por medio de la resolución que tenga el mismo, es decir, la señal leída por el
módulo será más fiel a la real dependiendo de la resolución de este.
CompactRIO
Es un controlador industrial integrado que funciona en tiempo real, es fabricado por National
Instruments, este controlador se caracteriza por su alto desempeño en la adquisición y tratamiento
de datos análogos, cabe resaltar que su software de programación (LabVIEW) es bastante completo,
por lo tanto, sus aplicaciones son bastante amplias dentro de cualquier industria.
SENSORES Y ACTUADORES En esta sección se explicarán los sensores y actuadores que se encuentran dentro del proyecto.
Fin de carrera
Es un dispositivo electromecánico el cual cumple como objetivo de alertar sobre un límite físico
tangible, el accionamiento de este dispositivo es mecánico, es decir, en el momento en que el objeto
a medir llegue al límite que se quiere medir, este movimiento accionará el fin de carrera, el cual emitirá
una señal dando aviso de este hecho. Usualmente la señal se genera es digital y el dispositivo tiene las
configuraciones para poderla generar “normalmente abierta” o “normalmente cerrada”.
Sensor ultrasónico
Es un sensor de ultrasonido utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para la detección de objetos, el
sensor emite la señal sonora, una vez dicha señal es emitida, el sensor espera la señal de retorno que
acabo de emitir, una vez recibida, sabiendo el tiempo entre la señal emitida y recibida, logra
determinar la distancia a la cual se encuentra el objeto, esto lo hace óptimo para detectar superficies
irregulares.
Electroválvula
Es una válvula que opera con un solenoide como actuador, es decir, el accionamiento de la válvula se
genera dependiendo del estímulo eléctrico generado en el solenoide. El solenoide es un básicamente
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una bobina que al energizarse genera un campo magnético, el cual mueve directamente un elemento
mecánico que genera la apertura o cierre de la válvula. La apertura de la válvula puede ser completa
o parcial, esto depende del solenoide.
Servomotor AC
Un servomotor es un motor eléctrico en el cual se puede controlar su velocidad o su dirección del eje.
Los servomotores pueden ser de dos tipos, AC o DC, dependiendo del tipo de alimentación requerida.
El servomotor es caracterizado por su precisión en operación, esto se debe a que poseen encoders
internos los cuales permites una retroalimentación de su posición o de su velocidad, esto permite un
control más eficiente sobre el motor, ya que se reducen los niveles de error en la operación.
CONTROL PID Un controlador PID es el algoritmo de control más usado en la industria y el más aceptado en la
industria de control. La idea básica de un controlador es leer un sensor, calcular la salida apropiada
para un actuador por medio del cálculo de las respuestas proporcional, integral y derivativa, sumando
estas tres respuestas se obtiene la salida deseada del controlador. [2]
Componente proporcional
Genera una acción proporcional sobre el error, es decir, a mayor error mayor acción sobre el actuador
o a menor error menor acción sobre el actuador. Se puede expresar de la siguiente manera, siendo
𝑒(𝑡) la señal de error y 𝑢(𝑡) la acción sobre el actuador: 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 ∗ 𝑒(𝑡) en donde 𝐾𝑝 es la
constante de proporcionalidad.
Componente integral
El componente integral permite llegar a error 0 cuando hay error en régimen permanente que el
componente proporcional no llega a eliminar, este componente se genera en función de la integral
de error, en donde también regulada por una constante, se puede ver representa de la siguiente
manera: 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑖 ∗ ∫ 𝑒(𝑡) ∗ 𝑑𝑡𝑡
0
Componente diferencial
El componente diferencial lo que permite es reducir picos en la respuesta al sistema para llegar a
error cero, dicho componente es en función de la derivada del error, puede que traiga consigo un
tiempo de establecimiento más largo, pero así mismo protege tanto al actuador como a la planta en
la cual se está ejerciendo el control. Se puede ver representado con la siguiente fórmula en donde
también posee una constante derivativa: 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑑 ∗𝑑
𝑑𝑡𝑒(𝑡)
Dados los anteriores conceptos se tiene la fórmula de un controlador PID de la siguiente manera:
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 ∗ 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∗ ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 +𝑡
0
𝐾𝑑 ∗𝑑
𝑑𝑡𝑒(𝑡)
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PID Compact
El PID Compact es el bloque que utiliza el Tia Porta para poder realizar el control del PLC, dicho
módulo permite ingresar las constantes correspondientes del controlador deseado o por otro lado
también permite realizar la auto sintonización del controlador.
La fórmula que emplea este bloque para poder realizar el control es:
𝑌 = 𝐾𝑝[(𝑏 ∗ 𝑤 − 𝑥) +1
𝑇𝑖 ∗ 𝑠(𝑤 − 𝑥) +
𝑇𝑑 ∗ 𝑠
𝑎 ∗ 𝑇𝑑 ∗ 𝑠 + 1(𝑐 ∗ 𝑤 − 𝑥)
En donde:
• Y = Valor de Salida del Algoritmo PID.
• 𝐾𝑝= Ganancia proporcional.
• 𝑠 = Operador laplaciano.
• 𝑏 = Ponderación de acción P.
• 𝑤 = Consigna.
• 𝑥 = Valor Real.
• 𝑇𝑖 = Tiempo de integración.
• 𝑎 = Coeficiente para el retardo de la acción de la derivada (retardo de la acción derivada
𝑇1 = 𝑎 ∗ 𝑇𝑑)
• 𝑇𝑑 = Tiempo derivativo.
• 𝑐 = Ponderación de acción D.
DEFINICIÓN Y ESPECIFICACIÓN DEL TRABAJO
Cómo se mencionó en la introducción, este proyecto tiene como objetivo la implementación de un
sistema de control en el canal de riego que se encuentra montado en el laboratorio de Hidráulica de
la Universidad de Los Andes. El proyecto también se encuentra enfocado en la seguridad dentro de
la operación del canal para proyectos investigativos o educativos futuros.
Para el sistema de control del canal de riego se tiene propuesta la siguiente instrumentación, cabe
aclarar que en el producto final de este proyecto no se tendrán instaladas las electroválvulas (SV).
Ilustración 1 Propuesta Instrumentación.
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En donde LT son sensores de nivel que se usará para medir los niveles de los canales y el nivel de
tanque de alimentación. SV1, sería una válvula de 3 pulgadas, la cual controlaría el nivel del tanque de
alimentación. Las válvulas SV2, SV3 y SV4 será válvulas de 0,5 pulgadas las cuales se usará para simular
la salida del sistema.
Inicialmente se recibió el canal de riego, con el montaje de las 4 compuertas junto con los sensores de
ultrasonido, más adelante se especificarán los trabajos realizados sobre el montaje del canal.
El canal que se encuentra montado es de 13m de largo, 59,3cm de ancho y una altura máxima de
0,675m con una pendiente de 1%.
METODOLOGÍA DEL TRABAJO
Se llevaron a cabo las siguientes actividades para el desarrollo del proyecto.
1. Se realizó identificación del canal, su progreso actual, ya que este venía siendo desarrollado
por otro estudiante.
2. Se determinó tecnología a utilizar debido a restricciones presentes.
3. Se realizaron las adecuaciones necesarias para poder operar los sensores de nivel.
4. Se realizaron los planos faltantes del sistema de control.
5. Se realizaron las configuraciones necesarias en el ServoPack Yaskawa para la operación del
motor.
6. Se realizaron las instalaciones y cableados de los fines de carrera.
7. Se realizó corrección sobre montaje de cable Ethernet.
8. Se realizo el diseño para el montaje de las válvulas de salida.
9. Se realizaron pruebas de llenado del canal para observar el soporte de las compuertas.
10. Se realizaron pruebas de movimiento de los motores.
11. Se realizaron pruebas y caracterización sobre cada uno de los sensores de nivel.
12. Se realizaron pruebas de control sobre los motores desde el PLC Siemens 1500.
13. Se realizó HMI básico para caracterización del canal de riego.
14. Se realizó controlador ON/OFF sobre una de las compuertas como prueba inicial de control.
15. Se realizó pruebas de auto sintonización del PID Compact.
16. Se realizó caracterización del canal riego.
17. Se genera función de transferencia a partir de datos experimentales del canal.
18. Se diseña controlador.
TRABAJO REALIZADO
En esta sección se darán a conocer detalles sobre los trabajos enumerados anteriormente.
IDENTIFICACIÓN DEL CANAL En el momento en que se recibió el canal de riego se identificó que las cuatro compuertas ya se
encontraban instaladas y se había probado su funcionamiento desde el ServoPack Yaskawa que
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controla el motor, aún no se habían probado desde el PLC o desde el CompactRIO debido a varios
factores.
Se hizo un reconocimiento completo de la tecnología que se tenía instalada reconociendo lo siguiente:
• PLC Siemens S7 1500 CPU 1516-3 PN/DP.
• Módulo DI 32x24VDC
• Módulo DQ 32X24VDC/0.5A
• Módulo AI 8xU/I/RTD/TC
• Módulo AQ 4xU/I
• DAQ CompactRIO
• Módulo DI/NI-9205
• Módulo NI-9203
• Módulo NI-9263
• Servomotor SGM7
• Servopack SGD7S
• Sensor ultrasónico TU30
De la instrumentación propuesta, estaba pendiente la instalación de todas las electroválvulas, no
existía ningún fin de carrera, y los cableados desde el sistema de control de PLC al Yaskawa no existían,
los planos del sistema de control del Yaskawa al PLC o al CompactRIO tampoco se encontraban. Los
sensores de nivel no se habían calibrado ni caracterizado.
RECONOCIMIENTO DE RESTRICCIONES Y TECNOLOGÍA. Inicialmente se tenía propuesto realizar el control del motor sin encoder y por medio de señales PWM,
debido que el módulo PWM del PLC Siemens 1500 no se había obtenido previamente, se realizaron
cotizaciones para poder obtenerlo y poder operar el motor desde el PLC. Debido a que los proveedores
no tenían dicho modulo en “Stock”, e importarlo acarreaba 6 meses, se decidió buscar otra estrategia
para poder controlar sobre el módulo.
Realizando las investigaciones pertinentes, se encontró que el motor también podía ser controlado
por un método llamado Control Directo de Velocidad, el cual funciona por medio de un voltaje de
referencia enviado a la tarjeta Yaskawa. Debido a esto no fue necesaria la compra de otro módulo, ya
que el control por el PLC sería enviado por el módulo de salidas analógicas.
Por otro lado, se observó que las electroválvulas de salida no se encontraban instaladas, además, los
orificios por donde se iba a sacar la tubería hacia dichas electroválvulas no se encontraban en el vidrio
templado, donde se había propuesto inicialmente, por lo cual se diseñó un sistema de salida diferente
hacia las electroválvulas, el cual será expuesto más adelante.
SENSORES DE NIVEL Se creó un programa básico para poder leer los sensores de nivel a través del PLC, en donde se observa
que 3 de los 7 sensores instalados no están registrando datos en el PLC, para lo cual fue necesario
revisar las conexiones de los sensores en la caja para poder corregir el error.
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Una vez corregido dicho error, se procedió a realizar la calibración y caracterización de cada uno de
los sensores de la siguiente manera:
1. Para calibrar el sensor se siguieron las instrucciones del fabricante, una vez completadas el
sensor cuando reconoce el piso arroja una señal de 4mA y cuando reconoce la distancia
máxima arroja una señal de 20mA.
2. Debido a que el canal posee una pendiente las distancias que ve cada sensor son diferentes
hasta el fondo del canal, por lo cual se configuraron las distancias según muestra la Tabla 1.
3. Debido a que los sensores son lineales, no fue necesario realizar una caracterización completa
de cada sensor, para obtener el valor real leído en distancia del sensor se realiza un
escalamiento directamente en el PLC por medio de un FB que ya existe dentro del Tia Portal.
Ilustración 2
En la ilustración 2 se observa el bloque se usa para escalar la señal análoga leída del sensor, en donde “Prox1” es la entrada del LT1, “HI_LIM” representa el valor máximo que arrojará nuestro sensor y “LO_LIM” representa el mínimo. La salida del bloque se almacena en la variable “Distancia1” y la medición se está escalando a milímetros para tener una mayor resolución.
En la ilustración 3 se observan las direcciones de cada uno de los sensores de nivel en el PLC,
Prox1 es sensor en el tanque de agua y Prox7 es el último sensor antes la compuerta de
salida del canal.
LT1 LT2 LT3 LT4 LT5 LT6 LT7
Dmin(cm) 0 0 0 0 0 0 0
Dmax(cm) 37 40 42 44 44 49 49
Tabla 1
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Ilustración 3
Cabe resaltar que también fue necesario configurar el módulo de entradas análogas para
poder obtener la medición del sensor, en la ilustración 4 se observa la configuración.
Ilustración 4
PLANOS No se recibieron planos del sistema de control del motor, además de esto fue necesario modificar el
cableado para poder llegar a operar el motor desde el PLC por el método de control deseado.
Previamente, estaban cableadas dos señales de control de posición (PWM) desde las tarjetas 4
Yaskawa hasta los relevos 4 y 5, como la estrategia de control del motor cambio, fue necesaria
deshacer esas conexiones hacia los relevos y cambiarlos por las dos señales de control de velocidad
del motor (Voltaje de referencia).
Adicional al cambio de las líneas desde las tarjetas Yaskawa hasta los relevos, fue necesario cablear
desde los relevos hasta el PLC y hasta el CompactRIO puesto que no se encontraban cableados. Debido
a que ya se había firmado el acta de paz y salvo con el proveedor encargado de estos trabajos, las
modificaciones se realizaron personalmente con supervisión del asesor.
Finalmente, tampoco existían planos de las conexiones de los fines de carrera, así fue necesario
incluirlos y cablearlos, ya que no se encontraban conectados.
En los anexos encontrarán los planos respectivos.
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SERVOPACK Dentro de las configuraciones del Servopack fue necesario activar las siguientes funciones para el
funcionamiento del motor:
• Activar el modo de control de motor por velocidad Pn000→ n.0
• Activar las protecciones de fines de carrera.
• Debido a que físicamente no se encontraba cableada la señal de prender el motor fue
necesario anular este parámetro y dejarlo permanentemente activado, es decir, en el
momento en que el Servomotor y la tarjeta se encuentran energizados, las salidas del motor
se habilitan inmediatamente. Pn50A →n.7
• Fin de carrera foward Pn50A →n.2
• Fin de carrera reverse Pn50B → n.3
• Se realiza calibración del offset cero a cero voltaje, debido a que cuando se le aplicaba
voltaje 0 al motor, este se movía lentamente, su offset fue necesario calibrar, este offset se
configuro automáticamente por medio del parámetro Fn009 y el procedimiento indicado por
el fabricante.
• Se estableció el rango de voltajes de referencia para la operación del motor, quedando
operativo con un rango de -12V a 12V, dicha configuración se realizó en el parámetro Pn300,
en la ilustración 5 se podrá observar una gráfica que ilustra el rango de voltajes.
Ilustración 5
• Se establecieron parámetros de aceleración y desaceleración para el motor, con el propósito
de evitar picos de corriente elevados. En la ilustración 6 se observa la gráfica y los parámetros
modificables, se establecieron tiempos de 30ms.
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Ilustración 6
FINES DE CARRERA Debido a que los tiempos de compra de materiales de la Universidad son bastante largos, además de
que por los inconvenientes presentados en el cableado y en los planos se perdió un tiempo
considerable, se decidió hacer un montaje provisional de los fines de carrera. Sólo se instalaron en la
compuerta #3, en la ilustración 7 se observa el tipo de fin de carrera que se implementó. La instalación
de dichos fines de carrera genera que el motor a 2cm de su límite bajo y alto.
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Ilustración 7
El montaje que se realizó también se ve provisional, en los anexos se encontrarán las dimensiones de
que se proponen para dejar instalados. En la ilustración 8 se observa el montaje provisional realizado.
Como propuesta se tienen las medidas y dimensiones del montaje que se realizó para la instalación
de los fines de carrera, se propone la realización del montaje en lamina de aluminio de 4mm. Planos
en los anexos.
Ilustración 8
Se genera una propuesta para los fines de carrera definitivos dentro del laboratorio, los cuales son a
prueba de agua, industriales y de alto desempeño para que no llegue a generarse ningún
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inconveniente en los motores o en el canal. El fin de carrera propuesto es el ZE-Q22-2G 150415
OMRON, es un fin de carrera industrial, con ambas salidas: NA/NC. En la ilustración 9 se observa el
sensor.
Ilustración 9
ETHERNET Cuando se recibió el canal se evidencio que el cable ethernet al puesto de trabajo no estaba
funcionando, solo funcionaba directamente desde el PLC con un cable personal al computador, fue
necesario re ponchar el cable ya que había sido ponchado incorrectamente.
ELECTROVÁLVULAS En la propuesta inicial los ductos de salida a las válvulas SV2, SV3 y SV4 iban a salir en la costado del
canal, por un orificio en el vidrio templado, debido a que el vidrio no se encontraba perforado, y
encontrar un proveedor que realizar dicha perforación fue imposible, se propuso un diseño en el cual
la tubería de salida iría por encima del canal hacía, y por efecto túnel poder succionar el agua,
simulando la salida hacia la válvula, en la ilustración 10 se observa el montaje que se realizó para las
3 válvulas, las cuales estarás ubicadas en el suelo. Las dimensiones de la tubería se encontrarán en los
anexos.
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Ilustración 10
PRUEBAS INICIALES Una vez los fines de carrera se encontraban instalados y cableados, el ServoPack configurado y se
encontraba cableado el control del motor, se procedió a realizar pruebas del motor en vacío, sin carga
de agua sobre la compuerta. Dichas pruebas se realizaron por medio Servopack. Esta era solo una
validación de que los fines de carrera se encontraban operando correctamente.
Posteriormente se empiezan con los trabajos iniciales Tia Portal para realizar pruebas y generar
movimiento en el motor. Lo primero que se realizo fue la configuración de la CPU y los módulos de
entradas y salidas. En la siguiente ilustración se muestra la configuración del PLC.
Ilustración 11
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Cada módulo se configuro según su referencia. Dentro de las configuraciones específicas de cada
módulo fue necesario detallar el de entradas analógicas, debido a que es necesario configurar la
entrada de corriente de 4-20mA y el tipo de sensor a usar, además el módulo de salidas analógicas
también fue necesario configurarlo para que su salida no supere los 10V, con esto aseguramos que la
salida siempre va a estar en el rango adecuado a los motores.
Ilustración 12
Ilustración 13
Por otro lado, también necesario activar el DataLog, ya que por medio de este es que se obtendrán
los datos medidos por los sensores y los datos de salida hacia los motores. El DataLog es activado en
las configuraciones de la CPU.
Una vez las configuraciones iniciales del PLC se realizaron, se procedió a realizar un Ladder básico para
el movimiento hacia adelante, atrás y parar el motor, los comandos se realizaron por medio de un HMI
básico que se creó. En la ilustración 14 se observa la interfaz realizada.
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Ilustración 14
Para la velocidad del motor se aplica el valor de 60/-60, hay que tener en cuenta que el valor que se
representa en la salida: el mínimo valor para la mayor velocidad en reversa será de -27648 y el máximo
valor para la velocidad en adelante será de 27648, dado lo anterior el voltaje real aplicado al motor
será de +-0,02V.
Los resultados de las pruebas fueron satisfactorios, con lo cual el motor se movió sin ningún
inconveniente y con él, la compuerta. A continuación, se realiza la misma prueba sobre la compuerta,
pero en este caso con el canal lleno de agua, prueba que no se había realizado anteriormente, así que
no se sabía si la compuerta contendría el agua con eficacia y si la compuerta se movería sin
inconveniente alguno. Debido a que el método de control de velocidad se enfoca en mantener la
velocidad del motor, el controlador aplica el torque necesario para mantener la velocidad del motor,
por lo tanto, sin importar la carga del agua que mantiene la compuerta, la velocidad del motor se
mantendrá.
Es importante resaltar que no se tiene retroalimentación de la posición del motor o de la compuerta
debido a que no se tiene el enconder cableado al PLC, por lo cual, cualquier estrategia de control ha
de ser retroalimentada por el nivel del agua mas no por la posición del motor o la altura de la
compuerta.
Finalmente dentro de las pruebas iniciales se estableció dentro del Ladder del programa una secuencia
de arranque de la planta, el principal motivo es que es necesario iniciar el proceso llenando el tanque
en el cual se va a realiza el control, por lo tanto se dio la condición de que si la medida de nivel de agua
se encuentra por debajo de 10cm, el motor va a bajar la compuerta hasta que dicho limite se supere,
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una vez superado el motor dejará de bajar y estará a la espera de instrucciones, en nuestro caso,
realizará el control deseado.
CARACTERIZACIÓN CANAL DE RIEGO Para realizar la caracterización del canal de riego se generaron datos de medición de la respuesta del
sistema frente a un cambio de altura de la compuerta. Debido a que no existe retroalimentación de la
posición de la compuerta o del motor, la función de transferencia se estima a partir del voltaje aplicado
al motor, es decir, la respuesta del sistema será por medio de un pulso de voltaje.
En primer lugar, se generó una función de transferencia de primer orden, para ello se obtuvo el tiempo
de respuesta y la ganancia del sistema. En la siguiente ilustración se muestran las diferentes
respuestas del sistema, en donde para la misma posición inicial de la compuerta se generaron pulsos
de voltaje y se registran los datos obtenidos:
Ilustración 15
Para cada una de las respuestas al escalón, se obtuvieron diferentes tiempos y ganancias, y al obtener
un promedio se obtuvo un tiempo tao de 65,33 segundo y una ganancia de -1,327. La función de
transferencia de primer orden obtenida se ve de la siguiente manera.
−1,327
1 + 65,33𝑠
La respuesta al impulso de la función de transferencia es la siguiente:
2,8
3
3,2
3,4
3,6
3,8
4
220
240
260
280
300
320
340
360
380
08:4
2:52
.164
08:4
3:05
.363
08:4
3:18
.564
08:4
3:31
.764
08:4
3:44
.964
08:4
3:58
.163
08:4
4:11
.363
08:4
4:24
.564
08:4
4:37
.763
08:4
4:50
.964
08:4
5:04
.163
08:4
5:17
.363
08:4
5:30
.564
08:4
5:43
.764
08:4
5:56
.964
08:4
6:10
.164
08:4
6:23
.363
08:4
6:36
.564
08:4
6:49
.764
08:4
7:02
.964
08:4
7:16
.164
08:4
7:29
.364
08:4
7:42
.563
08:4
7:55
.764
08:4
8:08
.964
08:4
8:22
.163
08:4
8:35
.364
Alt
ura
de
la c
om
pu
erta
(cm
)
Niv
el d
e A
gua
(mm
)
Tiempo
RTA1
RTA2
RTA3
RTA4
RTA5
RTA6
Step1
Step2
Step3
Step4
Step5
Step6
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 22
22
22
Ilustración 16
Ahora para generar un modelo más aproximado al real de la planta se utiliza la herramienta
SystemIdentification, la cual nos permite a partir de los mismos datos obtener una función de
transferencia más aproximada.
Así que con apoyo del software Matlab, y su aplicación de SystemIdentification, se ingresaron los
resultados de las pruebas escalones del sistema obteniendo los siguientes resultados:
Ilustración 17
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 23
23
23
La anterior ilustración, nos muestra el cambio de nivel de agua en función del voltaje aplicado al motor.
A partir de los datos anteriores, por medio de SystemIdentification con la configuración de obtener
una función de transferencia con 2 ceros y 2 polos se obtiene la siguiente función de transferencia de
la planta.
0.2424 ∗ 𝑠2 + 0.05401 ∗ 𝑠 − 0.003057
𝑠2 + 0.01386 ∗ 𝑠 + 9.917 ∗ 𝑒−9
SystemIdentification arroja un porcentaje del 91.58% de afinidad con los datos incluidos en el sistema.
En la ilustración 18 se puede observar los polos y ceros del sistema.
Ilustración 18
De la anterior grafica podemos observar que el sistema es estable debido a que ambos polos se
encuentran en el semiplano izquierdo, además se puede concluir que el sistema es de fase no mínima
debido a que uno de los ceros se encuentra ubicado en el semiplano derecho, lo cual implica que el
sistema tendrá un alto atraso frente a frecuencias altas.
Por otro lado, la respuesta al impulso de nuestra función de transferencia es la siguiente:
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 24
24
24
Ilustración 19
Al compara ambas funciones de transferencia se obtiene la siguiente respuesta al impulso de ambas.
Ilustración 20
De lo anterior se observa que la diferencia es tiempos de establecimiento es de 20 segundos, lo cual
es un margen bastante amplio, dado esto se decide diseñar el controlador con base al modelo
obtenido por Matlab.
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 25
25
25
AUTO SINTONIZACIÓN El módulo PID Compact tiene una opción de auto sintonizarse, para lograr dicho cometido genera
oscilaciones en la respuesta de la planta alrededor del Set Point deseado, una vez caracterizada la
planta genera los valores necesarios del PID.
Para el lazo de control a implementar se tiene como entrada al sistema el nivel del agua del tanque,
por otro lado, la salida será el movimiento de la compuerta (voltaje aplicado en el motor). El lazo de
control es descrito en la siguiente ilustración.
Ilustración 21
En donde LS es nuestro sensor de nivel y GPS es el accionamiento de la compuerta por medio del
motor, como se mencionó anteriormente, el motor será controlado por velocidad. Siendo Y12(t) la
entrada del sistema Gate2 será controlada por medio de la velocidad del motor.
Ilustración 22
La ilustración anterior muestra el diagrama de bloques con el que se propone el lazo de control, en
donde el sensor de nivel será SL3 y el voltaje del motor será la velocidad de movimiento del motor 3.
Configuración
A continuación, se muestra la configuración aplicada al módulo para empezar la auto sintonización y
posteriormente sus resultados.
3
4
2
1 3
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 26
26
26
Para los parámetros de entrada se tiene que la entrada de los sensores de nivel es escalable a
milímetros, por lo cual se selecciona esta medida, por otro lado, es necesario seleccionar la opción de
invertir el sentido de regulación, ya que, a un voltaje positivo, nuestra compuerta se abre y por lo
tanto el nivel de agua desciende y viceversa.
En los parámetros de entrada y salida se selecciona la opción de Input_PER(Analógica) y
Output_PER(Analógica), con lo cual indicamos al módulo que tanto la entrada como la salida, son
analógicas directamente leídas desde los módulos.
Es necesario escalar la entrada, como se mencionó en la caracterización de los sensores de nivel, por
lo tanto, se aplica el siguiente escalamiento en el módulo. En la ilustración 16 se muestra el
escalamiento.
Ilustración 23
Controlador Auto sintonizado
Una vez configurados los parámetros de entrada y salida se procede a realizar la sintonización del
PID por medio del módulo y se obtienen los siguientes parámetros.
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 27
27
27
Ilustración 24
Para las pruebas de este controlador se fija el Set Point en 240mm con lo cual se obtiene la respuesta
ilustrada en la ilustración 25, cabe aclara que dentro de la prueba también se inyectan perturbaciones
en el caudal de entrada.
Ilustración 25
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 28
28
28
Desde el segundo hasta el segundo 110 el PLC se encuentra en secuencia de llenado del canal, una vez
se llena el controlador se activa, alrededor del segundo 300 se inyecta la primera turbulencia al
sistema, en el segundo 450 se inyecta la segunda.
Como se puede observar en la gráfica existe mucho ruido en la altura del tanque, por lo cual el
controlador no llega al Set Point establecido con margen de error cero. Esto se debe a la turbulencia
que existe en el nivel del tanque. Como se puede observar en la ilustración 26 siempre existe un rizado
en la superficie del agua lo cual conlleva a un error en la medición y por lo tanto no se llega con
exactitud al Set Point deseado. Es por esto por lo que el sistema estaría oscilando permanentemente.
Con un error cercano a 10mm (4%).
Ilustración 26
FILTRO Para resolver el inconveniente del rizado del agua se propone implementar un filtro el cual atenúe el
ruido en la señal de entrada con el fin de reducir el error en el controlador.
Se realiza la implementación de un filtro EMA dentro del Ladder en donde se fija un Alpha de 0.2,
con lo cual se obtiene el siguiente resultado:
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 29
29
29
Ilustración 27
En la ilustración 27 se observa que la señal filtrada posee un offset menor al de la original con lo cual
no es eficiente para el sistema, por lo cual se propone realizar una instrumentación la cual mantenga
la señal, pero filtrando frecuencias altas.
En la ilustración 28 se observa el filtro implementado.
Ilustración 28
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 30
30
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DISEÑO CONTROLADOR Una vez obtenida la función de transferencia del sistema se decide diseñar un controlador por medio
de Pole Placement.
En primer lugar, con ayuda de Matlab se convierte la función de transferencia a State Space,
obteniendo las siguientes matrices para A, B, C y D.
A = −0.013860000000000 0
1 0
B = 10
C = 0.0507 0.003
D = 0.2424
Para empezar, se tiene que los valores propios de la matriz A son 0 y -0.0139, con lo cual se pueden
mover con fin de obtener menor tiempo de respuesta en el sistema. Dado esto se decide por mover
dichos valores a -2 y -1.
Posteriormente, con la función place de Matlab se definen los nuevos valores propios de la matriz,
con lo cual se obtiene la siguiente respuesta al impulso.
Ilustración 29
Ahora bien, la ganancia de la función de transferencia es de -0,22, mientras que en este caso es de
0,05, con lo cual es necesario ajustar la ganancia.
Una vez ajustada la ganancia se tiene la siguiente respuesta del sistema:
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 31
31
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Ilustración 30
Ahora se observa en la ilustración 30 que la ganancia del sistema es la misma y se logró reducir el
tiempo de respuesta del sistema a 3 segundos.
A continuación, dejo el Script realizado en Matlab para el diseño del controlador.
clc % se crea función de transferencia n= [0.2424 0.054015 0.003]; d=[1 0.01386 0]; % se convierte a State Space [A,B,C,D]=tf2ss(n,d); % se crea función de transferencia sys= ss(A, B, C, D); % Se asignan valores propios deseados P=[-2 -1]; K = place(A, B, P); Acl = A - B*K; syscl = ss(Acl,B,C,D); % se corrige ganancia del sistema kdc=dcgain(syscl); Kr=1/kdc; syscl_scaled=ss(Acl, B*Kr, C, D);
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 32
32
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Finalmente, los nuevos valores de las matrices A, B, C y D son los siguientes:
A = −3 −21 0
B = 4.10
C = 0.05066 0.003
D = 0.2424
Debido a la falta de tiempo no se pudo llegar a implementar el controlador en el PLC diseñado en el
PLC.
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
En este proyecto fue posible llevar a cabo los ajustes necesarios para poder operar una de las
compuertas de manera exitosa y segura lo cual nos permite concluir el cumplimiento de uno de los
objetivos específicos del proyecto. El sistema es completamente replicable hacia las otras compuertas
con lo cual facilitará la completa operación del canal de riego.
Se lograron adelantar las instalaciones para las válvulas de salida de cada tanque con lo cual se
encuentra más cerca del prototipo final del canal de riego.
Se logro de manera exitosa generar un modelo de la planta, lo cual es fundamental para la aplicación
de estrategias de control futuras.
Se logro implementar una estrategia de control por medio del PLC Siemens 1500, el cual es uno de los
cursos más valiosos del sistema, a pesar de que el controlador no era optimo y la auto sintonía no
arrojo los resultados esperado, se logró comprobar el funcionamiento del módulo dentro de la planta
presente y que, con una sintonización adecuada, la planta podrá ser operada de manera adecuada.
Es importante resaltar que los trabajos realizado permitieron por primera vez realiza pruebas sobre el
canal y con ello el modelamiento de este y la aplicación de estrategias de control, por otro también
cabe resaltar los trabajos faltantes para la operación completa del canal:
1) Está pendiente la instalación de los fines de carrera en los otros tres motores junto con su
cableado.
2) Replicar las configuraciones de la tarjeta del motor 3 a las demás tarjetas.
3) Está pendiente la instalación de las electroválvulas de salida de los tanques, esto debido a
retrasos con los proveedores de las tuberías y la finalización del contrato por el cual se realizó
el cableado eléctrico el canal.
4) Está pendiente la instalación de la válvula de entrada de 3 pulgadas del sistema.
Como trabajos futuros se tiene la implementación de la estrategia de control diseñada en este
proyecto de grado, en adición al diseño de muchas otras estrategias de control futuras que se puedan
aplicar a la vida real, como lo es la tesis Doctoral de Gregory Conde.
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 33
33
33
Otro de los trabajos futuros es la implementación de un HMI que permita la interacción completa con
la planta, en este proyecto solo se generó la imagen con fines prácticos al momento de caracterizar la
planta.
ANEXOS
PLANOS FINES DE CARRERA.
Ilustración 31
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 34
34
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Ilustración 32
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 35
35
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Ilustración 33
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 36
36
36
PLANOS TUBERÍA DE SALIDA
Ilustración 34
PLANOS ELÉCTRICOS
Ilustración 35
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37
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Ilustración 36
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38
38
Ilustración 37
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39
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LADDER TIA PORTAL
Main OB1
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 40
40
40
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 41
41
41
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 42
42
42
OB30 Cyclic interrupt
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43
43
DB2 Crear
Variables
Clock_0.625Hz Bool %M0.6
Tag_1 Bool %M20.0
control Bool %M3.0
llenado Bool %M50.2
Clock_2.5Hz Bool %M0.2
Clock_2Hz Bool %M0.3
Clock_1.25Hz Bool %M0.4
Clock_1Hz Bool %M0.5
Clock_10Hz Bool %M0.0
Clock_0.5Hz Bool %M0.7
FirstScan Bool %M1.0
DiagStatusUpdate Bool %M1.1
AlwaysTRUE Bool %M1.2
AlwaysFALSE Bool %M1.3
Clock_5Hz Bool %M0.1
System_Byte Byte %MB1
Clock_Byte Byte %MB0
Set point Int %MW11
Diseño de un sistema de automatización para un canal de riego 44
44
44
Prox1 Int %IW4
Distancia3 Int %MW10
Distancia2 Int %MW8
Distancia1 Int %MW6
Error_code Int %MW4
Valor Int %MW1
Motor3 Int %QW8
Prox7 Int %IW16
Prox6 Int %IW14
Prox5 Int %IW12
Prox4 Int %IW10
Prox3 Int %IW8
Prox2 Int %IW6
Prox3F Int %MW7
Distancia3filtrada Int %MW14
REFERENCIAS
[1] UNED, “Controladores Industriales Inteligentes.”
[2] National Instruments, “PID Theory Explained.” [Online] Available:
https://www.ni.com/es-co/innovations/white-papers/06/pid-theory-explained.html
[3] Yaskawa, “SIGMA-7 AC Servo Drives and Motors Technical Supplement.”
[4] Siemens, “S7-1200, S7-1500 Regulación PID.” [Online] Available:
https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/108210036/s71500_pid_control_func
tion_manual_esES_es-ES.pdf?download=true
[5] H. Berger, Automating with SIMATIC S7-1500. Berlín, Munich: Erlangen, 2014.