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ESIME – Zacatenco IPN
1 Ingeniería en Control y Automatización
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
Zacatenco
Ingeniería en Control y Automatización
PRESENTAN:
OSWALDO MARTÍNEZ DE JESÚS
UZIEL OLLOQUI CARMONA
CARLOS OMAR VILLANUEVA HERNANDEZ
INTEGRACIÓN DE UN PID AL CONTROL CON PLC DE LAS SERVO-VÁLVULAS QUE REGULAN LAS VÁLVULAS DE CONTROL DE UNA TURBINA DE VAPOR
i
AGRADECIMIENTOS
Oswaldo Martínez de Jesús
A mis padres:
Como testimonio de eterno reconocimiento, aun sabiendo que no existirá una forma de
agradecer una vida de sacrificio y esfuerzo, quiero que sientan que el objetivo logrado
también es de ustedes y que la fuerza que me ayudo a conseguirlo fue su apoyo
Con cariño, admiración y respeto.
A mis amigos:
A todos ellos que siempre me apoyaron y me dieron fuerza en los momentos más
difíciles, a los que nunca me abandonaron aun en las situaciones más adversas, a ellos
que me toleraron en toda la preparación.
De todo corazón mil gracias.
A mis profesores:
A los que me brindaron y compartieron sus conocimientos, a todos ellos que sin tener un
vínculo familiar me trataron como si así lo fuera ,no limitando un conocimiento a una
aula, aquellos que no solo ilustraron un conocimiento sino que otorgaron toda una
educación de por vida.
Mi agradecimiento con respeto y orgullo a ustedes.
ii
Carlos Omar Villanueva Hernández
A mis padres por darme la vida, haberme dado y forjado una educación, por todos sus
sacrificios que tuvieron hacia mí, por haberme dado humildad y sencillez, y por haberme
guiado por el camino del bien y del aprendizaje para poder empezar a emprender mi
propio camino.
A mis hermanos, por haberme dado palabras y consejos con sabiduría, por corregirme en
mis equivocaciones, por haberme apoyado incondicionalmente durante todo este tiempo y
también por haberme llevado por el buen camino.
A mi sobrino, por ser una motivación mas por la cual luchar y seguir adelante.
A mi familia en general, por haberme brindado apoyo cuando lo requerí y por darme
palabras de aliento y superación.
A mis amigos, por haberme dado palabras emotivas, por que sufrimos juntos todo este
tiempo tanto en situaciones buenas como malas, por esos desvelos que compartimos
juntos, porque fueron y serán una muy buena compañía.
El agradecimiento más importante es para mi hermana Alicia (q.e.p.d) ya que todo el
sacrificio que realice para terminar mi carrera profesional y sobresalir en mi trabajo fue
gracias a la motivación que ella me dejo, al sentimiento de lucha, a las ganas de ser
alguien en la vida, a las palabras de aliento que me dio en los momentos más difíciles y
sobre todo por enseñarme las ganas de disfrutar la vida al máximo y dejar una huella en
el camino.
A TODOS ELLOS MUCHAS GRACIAS.
iii
Uziel Olloqui Carmona
En general quisiera agradecer a todas y cada una de las personas que nos han apoyado
en la realización de esta tesis, y que no necesito nombrar porque tanto ellas como yo
sabemos que desde los más profundo de mi corazón les agradezco el haberme brindado
todo el apoyo, colaboración, ánimo y sobre todo una amistad.
Esta tesis está dedicada a mis padres, a quienes agradezco enormemente el apoyo, la
comprensión y el cariño que me han brindando sin medida durante toda la vida.
Agradezco a mis compañeros de tesis y amigos por su apoyo, confianza, ánimo dado y
por su compañía durante estos años en los cuales convivimos dentro y fuera del salón de
clases en los que compartimos esos momentos de crisis y felicidad.
Agradezco a mi profesor y asesor de Tesis, el Ing. Humberto Soto Ramirez por su
disposión y ayuda brindada, por la dirección de este trabajo, el atento tiempo que dedico
a la lectura de la Tesis y a sus atinadas correcciones.
Hago un agradecimiento especial a los ingenieros Ulises Guglielmi Ibarra, Victor Alfonso
Arzate Baltazar, Martin Alberto Bravo Dueñas y particularmente al Ing. Leonardo Vega
Macotela por todas sus opiniones, consejos, aclaraciones y a la dedicada colaboración
que nos brindaron incondicionalmente.
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2 Ingeniería en Control y Automatización
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la generación de energía eléctrica, existen diversos factores que requieren una
mejor regulación que aumente la eficiencia en el funcionamiento de la turbo-maquinaria.
Un factor de lo más significativo dentro de las centrales termoeléctricas es el control de
flujo de vapor que se suministra y/o ajusta por las válvulas de control hacia la turbina, y
cuya importancia radica en la regulación de la velocidad del rotor de la turbina y en la
carga demandada.
La forma en que son regidas las válvulas de control es mediante servo-válvulas, las
cuales al estar inmersas dentro del sistema electro-hidráulico y manejar un aceite
hidráulico a altas presiones, tienen la finalidad de controlar la alimentación de vapor
mediante la apertura o cierre de las válvulas de control.
Para tener el control de las aperturas o cierres de estas válvulas se requiere tener un
buen control sobre el posicionamiento de las servo-válvulas, en donde podemos encontrar
perturbaciones debido a la acumulación de impurezas en los filtros de dichas válvulas,
esto debido a que el aceite empleado para su funcionamiento contiene partículas que
suelen afectar el desempeño de dichas servo-válvulas.
De lo anterior se deduce que se debe estar actualizando el sistema de control de las
servo-válvulas de las turbinas de vapor, para la regulación de flujo con dichas válvulas
mediante la integración de elementos que proporcionen mejoras en el control.
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3 Ingeniería en Control y Automatización
OBJETIVO
Analizar el comportamiento de una servo-válvula, con la integración de un PID, al control
con PLC así como la simulación de su comportamiento bajo perturbaciones, con el fin de
reducir las oscilaciones que afecten el desempeño de las servo-válvulas y a su vez
aumentar la eficiencia del sistema de alimentación de vapor a la turbina.
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4 Ingeniería en Control y Automatización
JUSTIFICACIÓN
Debido a las mejoras demandadas en la actualidad, se requiere actualizar el control del
sistema de regulación en las válvulas gobernadoras, ya que existen centrales en las
que su control al ser arcaico (mecánico eléctrico) producen fallas que podrían evitarse
con la implementación de un PLC o la mejora de su lógica, adicionando así la integración
del PID, el cual disminuye las oscilaciones causadas por partículas en el aceite manejado
por la servo-válvula.
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5 Ingeniería en Control y Automatización
INTRODUCCIÓN
Hoy en día el 60% de las centrales termoeléctricas en México, cuentan con sistemas de
control de regulación de vapor arcaico, que producen tiempos muertos en
mantenimientos que podrían evitarse teniendo un control apropiado.
Diversas centrales se han percatado de las pérdidas que generaba este tipo de control
mecánico – hidráulico y han actualizado sus sistemas de control de regulación de
vapor. Introduciendo así el sistema de control digito-electrohidráulico, trayendo consigo
mejoras significativas al proceso de generación eléctrica; al ser un sistema que es
flexible por las características de los nuevos elementos, como lo son el PLC y las servo –
válvulas.
Al introducir el PLC y las servo – válvulas al sistema de control se corrigen y mejoran las
acciones de la válvula gobernadora; al tener una regulación individual de cada válvula de
control, además de que puede tenerse un control más preciso de la apertura de estas
válvulas.
No obstante existen perturbaciones provocadas por las servo-válvulas, por lo que se
propone la actualización de dicho sistema con la integración de un controlador PID y
renovando la lógica de control del PLC con el fin de reducir las oscilaciones ya
mencionadas.
En el capítulo 1 se abordan algunos temas como lo son los sistemas hidráulicos,
electrohidráulicos, las servo-válvulas, etc. y algunos conceptos que nos ayudaran a
comprender el funcionamiento de la servo, así como el funcionamiento que tiene esta
dentro de algunos sistemas en los que puede estar inmersa. Aquí también podemos
encontrar explicaciones concretas de algunos términos de control como lo es, el PID,
sintonización, o el funcionamiento del PLC, que nos ayudaran a tener una visión más
concreta de lo que implica el control de la servo-válvula.
Dentro del capítulo 2 se describen los diferentes componentes del sistema
electrohidráulico y como estos intervienen en el funcionamiento de la servo-válvula. Aquí
se menciona la forma en que se controla actualmente dicha servo-válvula.
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6 Ingeniería en Control y Automatización
Una vez definido la forma en que opera la servo-válvula dentro del sistema
electrohidráulico en el capítulo 3 se plantea un modelado de esta servo-válvula para así
llegar a la simulación del comportamiento. Ya que se cuente con esto se abordara la
lógica de control a seguir
Por último se analiza el impacto de este trabajo con la exposición de ventajas que trae el
implementar dicha novedad
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7 Ingeniería en Control y Automatización
CONTENIDO . Página
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................. 2
OBJETIVO .............................................................................................................................. 3
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 4
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 5
INDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... 10
INDICE DE TABLAS ............................................................................................................ 11
CAPÍTULO I PARÁMETROS TEÓRICOS ...................................................................... 12
1.1 CONTROL ELECTROHIDRÁULICO ( EHC) ................................................... 13
1.1.1 Definición ................................................................................................................. 13
1.1.2 Antecedentes .......................................................................................................... 14
1.1.3 Funciones ................................................................................................................ 14
1.1.4 Elementos y funcionamiento del sistema de control electrohidráulico .......... 14
1.2 VÁLVULA GOBERNADORA ............................................................................ 16
1.2.1 Definición ................................................................................................................. 16
1.2.2 Componentes .......................................................................................................... 17
1.3 SERVO-VÁLVULA ............................................................................................ 20
1.3.1 Definición ................................................................................................................. 20
1.3.2 Principio de funcionamiento .................................................................................. 20
1.3.3 Circuito de regulación ........................................................................................... 24
1.3.4 Dinámica de servo-válvulas .................................................................................. 26
1.3.5 Causas de oscilación ............................................................................................. 26
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8 Ingeniería en Control y Automatización
1.4 PLC ................................................................................................................... 27
1.4.1 Descripción .............................................................................................................. 28
1.4.2 Clasificación de PLC .............................................................................................. 29
1.4.3 Funcionamiento ...................................................................................................... 30
1.5 PID .................................................................................................................... 33
1.5.1 Descripción .............................................................................................................. 33
CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA .............................................................. 37
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2.1 CONTROL DIGITO ELECTROHIDRÁULICO ..................................................... 38
2.1.1 Modo de operación .................................................................................................... 39
2.1.2 Descripción funcional del sistema de control .......................................................... 41
2.2 VÁLVULAS DE CONTROL .................................................................................. 41
2.2.1 Descripción de los sistemas existentes ................................................................... 42
2.3 SERVO-VÁLVULA ................................................................................................ 44
2.3.1 Características y parámetros ..................................................................................... 45
2.3.2 Control actual de servo-válvula .................................................................................. 48
2.3.3 Control de servo-válvula propuesto ........................................................................... 48
2.3.4 Circuito de regulación de posición PI ....................................................................... 49
CAPÍTULO III CONTROL DE LA SERVO - VÁLVULA .................................................. 52
3. 1 DESARROLLO DE INGENIERÍA. ....................................................................... 53
3.2 MODELADO ........................................................................................................ 53
3.2.1 Modelo eléctrico (motor de par) ............................................................................... 53
3.2.2 Modelo hidráulico ........................................................................................................ 59
3.2.3 Diseño del controlador PID por el método de Ziegler-Nichols .............................. 61
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9 Ingeniería en Control y Automatización
3.3 SIMULACIÓN DEL SISTEMA ............................................................................... 64
3.4 CONTROL PLC .................................................................................................... 69
3.4.1 Filosofía de control ..................................................................................................... 69
3.4.2 Criterio de selección del PLC ..................................................................................... 75
3.4.3 Selección de módulos de entradas ............................................................................ 75
3.4.4 Selección de los módulos de salida ......................................................................... 77
3.4.5 Selección del CPU........................................................................................................ 78
3.4.6 Selección de la fuente de alimentación..................................................................... 78
3.4.7 Programación ............................................................................................................... 81
CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................. 90
4.1 ANÁLISIS DE CONTROL ................................................................................... 91
4.2 ANÁLISIS DE INTEGRACIÓN PID .................................................................... 91
4.3 ANÁLISIS ECONOMICO ....................................................................................... 91
4.3.1 Impacto económico (CFE) .......................................................................................... 91
4.3.2 Costos de ingeniería .................................................................................................. 92
CONCLUSIONES ................................................................................................................. 94
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 95
GLOSARIO ........................................................................................................................... 96
ANEXO A ............................................................................................................................ 99
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10 Ingeniería en Control y Automatización
INDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1 Sistema Electrohidráulico 13
Figura 2 Esquema de elementos de válvula gobernadora 17
Figura 3 Válvula gobernadora 18
Figura 4 Esquema de servo-válvula 22
Figura 5 Diagrama a bloques del funcionamiento de la servo-válvula dentro del sistema
electrohidráulico 22
Figura 6 Controlador de servo-válvula 23
Figura 7 Diagrama de bloques simplificado de circuito de regulación 25
Figura 8 Circuito de regulación con servo-válvula 25
Figura 9 Reducción de la amplitud y retraso de la fase 26
Figura 10 Ciclo de trabajo de un PLC. 30
Figura 11 Esquema de tiempos relativos dentro del SCAN del PLC 31
Figura 12 Tiempo típico de SCAN de un PLC 32
Figura 13 Sistema del PID 34
Figura 14 Curva de reacción de proceso 35
Figura 15 Sistema de control DEH 38
Figura 16 Manipulación de válvulas de control mediante servomotor 43
Figura 17 Representación grafica del momento creado por el motor de par 45
Figura 18 Diagrama de bloques del accionamiento de un cilindro con regulación de
posición 49
Figura 19 Grafica carrera – tiempo 50
Figura 20 Diagrama a bloques simplificado de cilindro con regulación de posición 50
Figura 21 Esquema de funcionamiento de un motor de par 54
Figura 22 Esquema del flujo magnético 54
Figura 23 Diagrama a bloques de sistema sin PID 65
Figura 24 Comprtamiento de sistema sin PID 65
Figura 25 Diagrama a bloques de sistema con PID 66
Figura 26 Comprtamiento de sistema con PID 66
Figura 27 Comparación de sistema con y sin PID 67
Figura 28 Comparación del sistema con y sin PID (B) 67
Figura 29 Análisis del sistema comparado 68
Figura 30 diagrama de flujo 71
Figura 31 Esquema de intervalos de tiempo en el arranque 72
Figura 32 Comportamiento del LVDT 74
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11 Ingeniería en Control y Automatización
INDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1 Criterios de Ziegler y Nichols para la cuerva de reacción del proceso .................. 36
Tabla 2 Características técnicas de servo-válvula .................................................................... 46
Tabla 3 Características hidráulicas ......................................................................................... 46
Tabla 4 Características adicionales (electrónica externa e información contra explosión) 47
Tabla 5 Modos de escalamiento para la interpretación en el PLC ....................................... 76
Tabla 6 Modos de escalamiento para la interpretación del PID ............................................ 77
Tabla 7 Escalamiento de la señal de salida de la tarjeta 1746-NIO4I ................................... 78
Tabla 8 Características de las fuentes de alimentación ........................................................... 79
Tabla 9 Distribución de corriente de acuerdo a los módulos empleados .............................. 80
Tabla 10 Selección de la fuente de acuerdo al consumo de los módulos .......................... 80
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12 Ingeniería en Control y Automatización
INTRODUCCIÓN
En este primer capítulo se abordan temas elementales para la comprensión de este
documento, como PLC, PID, sintonización, sistema hidráulico, sistema electrohidráulico, y
fundamentalmente el de servo-válvula, los cuales giraran entorno del tema central para
tener una mayor profundidad en el tema, así como conocer cómo es que intervienen
estos elementos.
CAPÍTULO I
PARÁMETROS TEÓRICOS
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13 Ingeniería en Control y Automatización
1.1 CONTROL ELECTROHIDRÁULICO ( EHC)
Desde 1967 cuando el primer controlador comercial fue puesto en servicio por la
compañía MITSUBISHI, el control de turbinas de vapor electro-hidráulicos ha
evolucionado. El diseño ha sido modificado varias veces desde entonces, siguiendo el
desarrollo en los campos electrónicos e hidráulicos y como resultado de los nuevos
requerimientos del sistema. La electrónica moderna, junto con los desarrollos del software
además de la experiencia de muchos años en el campo, han llevado al diseño de nuevos
sistemas de control de turbinas de vapor.1
1.1.1 Definición
El sistema de control electro - hidráulico es un sistema que trabaja con un fluido de alta
presión, para el accionamiento más rápido en los servomecanismos de operación de las
válvulas de admisión de vapor a la turbina. El Control electro-hidráulico es un sistema de
control con características mejoradas para el mando automático de una planta
termoeléctrica moderna. En la figura 1 se muestra esquemáticamente como es sistema
Electrohidráulico
Figura 1 Sistema Electrohidráulico
1 Salustiano García Pecero, Control electrohidráulico de turbinas de vapor, CFE, México, 2008, pp. 4
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14 Ingeniería en Control y Automatización
1.1.2 Antecedentes
La necesidad de contar con unidades generadoras de mayor capacidad, debido al
constante y lógico crecimiento de la demanda de energía eléctrica, no sólo en el país sino
en el mundo entero, ha dado origen, a otra necesidad: la de contar con sistemas de
control cada vez más confiables y seguros. Esto se aplicó íntegramente al sistema de
control de la turbina, logrando con ello mejoras sustanciales, hecho que lo llevó desde los
sistemas tradicionales mecánicos, pasando por los hidromecánicos, hasta llegar a los de
tipo electro hidráulico actuales.2 Aun cuando los sistemas de control anteriores en realidad
eran sumamente ingeniosos, el digito electro-hidráulico los ha superado en muchos
aspectos, sobre todo que con este tipo de sistemas es posible controlar la velocidad y
aceleración de la turbina casi a la perfección, lo que es extremadamente difícil conseguir
con uno tradicional, a pesar de la habilidad de los operadores. Como se sabe, el manejo
adecuado de los parámetros mencionados, así como el de carga o de flujo de vapor en la
turbina, son fundamentales para mantener su vida útil dentro de lo establecido.
1.1.3 Funciones
Controla las funciones de disparo de emergencia del sistema, la posición de las válvulas
estranguladoras, interceptoras y de gobierno. Ajusta automáticamente la posición de las
válvulas a través de una señal eléctrica suministrada a las servo-válvulas que regula la
presión de aceite a los actuadores.
1.1.4 Elementos y funcionamiento del sistema de control electrohidráulico
Los componentes del sistema de control de fluido E-H incluyen el recipiente del aceite, las
bombas de alta presión, acumuladores de presión, bomba de pulido, intercambiadores de
calor, interconectados con tuberías de acero inoxidable y accesorios.
El sistema de control E-H está compuesto por un grupo de accesorios, los cuales se
encuentran interrelacionados, todos estos equipos y accesorios son descritos a
continuación.
2 Ídem
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15 Ingeniería en Control y Automatización
Recipiente de fluido E-H
Este recipiente tiene la función de almacenar el fluido electro-hidráulico, con una
capacidad de 1300 lt, construido de acero inoxidable, está equipado con conexiones para
el drenado y regreso de aceite al depósito después de operar los servomecanismos, del
sistema de control.
Micro-separador
Se localiza en la parte baja del tanque el nivel de aceite, este micro-separador es una
placa magnética la cual retiene y adhiere con una fuerza magnética partículas contenidas
en el aceite.
Bombas de fluido de electro-hidráulico
Dos bombas de igual capacidad, están acopladas cada una a un motor eléctrico a través
de un cople flexible, estas bombas son las que proporcionan el fluido de alta presión en el
sistema, succionando del recipiente el fluido E-H, están localizadas bajo el nivel del fluido
para asegurar una succión positiva, en la succión de las bombas montado verticalmente
se encuentra un filtro, el cual puede ser removido a través de la parte superior del
recipiente, una ópera normalmente y la otra de respaldo.
Un bloque de control está montado en la parte superior del recipiente el cual se compone
de lo siguiente:
Dos interruptores de presión diferencial, que indican la presión diferencial entre la
entrada y la salida de los filtros de cartucho montados en el circuito de descarga de las
bombas.
Cuatro filtros de cartucho montados en forma separada, dos a la salida de cada bomba
en paralelo.
• Dos controladores de presión o válvulas de descarga. Estos controladores o válvulas
liberan la descarga de la bomba en el circuito del fluido electro-hidráulico al recipiente.
• Una válvula de alivio instalada en el circuito de alta presión localizada entre las dos
válvulas de descarga, esta válvula previene una sobrepresión del fluido en la línea
sirviendo como apoyo a las válvulas de descarga.
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16 Ingeniería en Control y Automatización
• Un controlador de nivel que opera un interruptor que acciona una alarma de señalización
de alto o bajo en el recipiente del fluido electro-hidráulico.
• Un interruptor controlador del nivel que opera el paro - automático de la bomba del fluido
de alto o bajo nivel en el recipiente.
• Un interruptor controlador de nivel que opera el paro- automático de la bomba del fluido
E.H. a bajo nivel en el recipiente.
• Una válvula controladora de temperatura instalada en la línea de entrada de agua de
enfriamiento a un intercambiador de calor, está conectada a un bulbo termostático en el
recipiente de fluido electro-hidráulico, modula el control de entrada de agua al
intercambiador de calor.
• Una válvula de cuatro vías, operada manualmente instalada en la línea de retorno del
fluido de control al recipiente, intercambia la entrada al enfriador A ó B (Enfriador de fluido
electro-hidráulico).
• Dos intercambiadores de calor del 100% de capacidad cada uno, (en operación normal
actúa solo uno) el fluido electro-hidráulico es circulado dentro de la carcaza alrededor de
los tubos, mientras que el agua circula dentro de los tubos.
• Un tablero de gabinetes, con los siguientes interruptores ensamblados.
• Un interruptor de presión para baja presión del fluido del sistema arrancará la bomba
auxiliar o de reserva del fluido de control, cuando la presión disminuye a 95 kg/cm2.
1.2 VÁLVULA GOBERNADORA
1.2.1 Definición
Se le conoce al conjunto de dos partes fundamentales que se encuentran dentro del
turbo-grupo, la válvula de paro de vapor principal y las válvulas de control.
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17 Ingeniería en Control y Automatización
1.2.2 Componentes
Válvulas de Paro de Vapor principal.
Estas válvulas conocidas también como válvulas de emergencia están localizadas
físicamente en el cabezal del vapor principal antes de las válvulas de control, cada una de
dichas válvulas principales tienen una entrada y dos salidas. La salida de vapor de cada
una de las válvulas de emergencia principales se conecta a través del cabezal
directamente a la entrada de la caja de las válvulas de control de vapor.
La función principal de las válvulas de emergencia es el de interrumpir súbitamente el flujo
de vapor a la turbina en condiciones de emergencia.
Los actuadores de las válvulas de paro de vapor principal consisten de un cilindro
hidráulico con su transductor diferencial variable lineal para la derecha y para la
izquierda, el cual se utiliza para transmitir la posición del vástago de la válvula al ECH; el
pistón de operación, la válvula de disco de descarga rápida y la válvula de prueba
accionada por solenoide, para mayor comprensión de lo descrito anteriormente se
puede observar la figura 2 que muestra los elementos de la válvula gobernadora
utilizada anteriormente y en la figura 3 la válvula actual.
Figura 2 Esquema de elementos de válvula gobernadora
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18 Ingeniería en Control y Automatización
Válvulas de Control de Vapor
Cada válvula gobernadora consta de cuatro (4) válvulas de control montadas en línea. Su
función es controlar la entrada del vapor a la sección de alta presión de la turbina.
Actualmente existen pocas centrales cuyas válvulas de control son del tipo balanceado,
lo que permite reducir la fuerza necesaria para levantar la válvula del asiento. Los discos
tienen asientos esféricos para asegurar un cierre hermético. Cada válvula es operada por
una servo-válvula electrohidráulica que permite la operación de la turbina, de acuerdo a la
filosofía del EHC (control electrohidráulico).
Figura 3 Válvula gobernadora
La secuencia de apertura de las válvulas se establece de modo que se realice una
variación de la carga en función de la carrera del servomotor según una grafica muy
cercana a la línea recta.
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19 Ingeniería en Control y Automatización
La parte fija de estas válvulas se encuentra con pernos (apernada) herméticamente en la
caja de las válvulas con empaquetadura flexible insertada en una ranura, además esta
lleva el eje de la palanca de levantamiento y los bujes en los que giran el eje y las levas.
El eje de levas al girar forza a las levas contra los rodillos montados en las palancas con
lo cual estas se levantan comprimiendo el resorte. Las dos cajas de válvulas (1 para 4
válvulas) conforman una pieza única con la cara exterior de la turbina de alta presión.
Posición de válvulas gobernadoras
Durante el proceso de arranque del turbogenerador es deseable contar con un registro e
indicación de posición de válvulas para poder determinar la velocidad en la cual se
efectúa la transferencia del control de la misma (de válvulas de estrangulamiento a las de
gobierno o de arco pleno a parcial) y con esto último llevar la unidad a la velocidad de
sincronización.
Cuando el generador está en línea la posición de las válvulas será de utilidad para dar un
índice de carga entregada al sistema.3
Medición de posición válvulas gobernadoras
El tipo de detector utilizado para la medición de posición de válvulas es un transformador
diferencial variable lineal (LVDT), el cual es alimentado con ±15 VCD regulados y su señal
es llevada a la pantalla de visualización en el cuarto de control.4
Transformador diferencial de variable lineal (LVDT)
El LVDT es un detector electromecánico que produce una salida eléctrica proporcional al
desplazamiento de un núcleo móvil.5
El LVDT consiste de:
3 Ibídem, pp. 88
4Ibídem, pp. 89
5 Ibídem, pp. 80
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20 Ingeniería en Control y Automatización
A) Tres bobinas igualmente espaciadas y montadas en un compartimiento cilíndrico.
B) Un núcleo magnético en forma de varilla se sujeta a un actuador de una válvula y
es instalado axialmente dentro el ensamble de bobinas, con la apertura y cierre de
la válvula se obtiene un flujo magnético en éstas.
La bobina central es el primario de este transformador y es alimentada con c.a. Esta
induce voltaje en las otras dos bobinas (secundario), las cuales están conectadas en serie
y en posición tal, que la salida neta del transformador es la diferencia de estos dos
voltajes.
1.3 SERVO-VÁLVULA
Una servo-válvula es una válvula direccional de infinitas posiciones que ofrece la
característica adicional de controlar tanto la cantidad como la dirección del flujo.
Cuando se instala con los dispositivos de realimentación adecuados, consigue controles
muy precisos de la posición, velocidad y aceleración de un actuador.
1.3.1 Definición
El termino servo se utiliza de muchas maneras. Expresado de forma general se
denomina así a la función en la cual una pequeña señal de entrada provoca una gran
señal de salida (amplificación)
Son accionadores de tipo neumático o hidráulico que conectan dos o más vías por las que
circula el fluido y tienen la posibilidad de controlar la presión o el caudal.
1.3.2 Principio de funcionamiento
Un servo mecanismo es esencialmente un amplificador de fuerza. Utilizado para controlar
una posición. La figura 4 nos muestra esquemáticamente como se compone este
dispositivo.
Generalmente la servo-válvula se emplea como amplificador hidráulico comandado
eléctricamente en circuitos de regulación, es decir no solo transforma una señal de
entrada en un caudal correspondiente, sino que además mide eléctricamente las
desviaciones de la velocidad o de la posición descrita, alimentando a la servo-válvula
para que introduzca las correcciones necesarias.
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21 Ingeniería en Control y Automatización
Estas válvulas constan de un convertidor electromecánico (motor de torque) (1), un
amplificador hidráulico (principio de tobera-placa deflectora) (2) y un émbolo de mando (3)
en un casquillo (2a etapa), que está unido al motor de torque a través de un dispositivo
mecánico de recuperación.6
A través de una señal eléctrica de entrada aplicada a las bobinas (4) del motor de torque
se genera en el inducido (5), por medio de un imán permanente, una fuerza que, en
combinación con un tubo flexible (6), tiene como efecto un momento de giro. Con esto se
desplaza de la posición central entre las dos toberas reguladoras (8) la placa deflectora
(7), unida al tubo flexible (6) por medio de un perno, originándose así una diferencia de
presión entre las caras del émbolo de mando (3).
Esta diferencia de presión provoca un cambio de posición del émbolo, con lo que el
empalme de presión se comunica con uno de los empalmes de consumidores mientras
que, al mismo tiempo, el otro empalme de consumidores se comunica con el empalme de
retorno.7
El émbolo de mando está unido a la placa deflectora y respectivamente al motor de torque
por medio de un resorte de flexión (recuperación mecánica) (9). El cambio de posición del
émbolo tiene lugar hasta que el momento de retorno debido al resorte de flexión y al
momento electromagnético del motor de torque quedan en equilibrio y se hace cero la
diferencia de presión en el sistema tobera-placa deflectora. La carrera del émbolo de
mando, y con ello el caudal de la servo-válvula, se regula así en forma proporcional a la
señal eléctrica de entrada. Al respecto se debe tener en cuenta que el caudal depende de
la caída de presión en la válvula.8 Para la identificación los elementos y la mayor
comprensión del funcionamiento ver la figura 4 que muestra la nomenclatura descrita
anteriormente.
6 Rexroth Bosch Group, Servo-válvula direccional con recuperación mecánica, Bosch Group, Alemania, pp. 4
7 Ídem
8 idem
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22 Ingeniería en Control y Automatización
Figura 4 Esquema de servo-válvula
El funcionamiento de una servo-válvula dentro del sistema electrohidráulico puede
entenderse de una mejor manera mediante un diagrama a bloques (figura 5), el cual se
presenta a continuación:
Figura 5 Diagrama a bloques del funcionamiento de la servo-válvula dentro del sistema
electrohidráulico
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23 Ingeniería en Control y Automatización
Por otra parte se muestra a más detalle y de manera gráfica (figura 6) como opera el
controlador de la servo-válvula en muestro sistema.
Figura 6 Controlador de servo-válvula
Cuando una servo-válvula sea retirada de su sitio, la única actividad recomendable en
caso de tener duda de su operación correcta, es reemplazar el filtro de aceite. Si no se
tiene certeza de la limpieza del filtro retirado, no es necesario tratar de limpiarlo, no tiene
caso, ya que el nivel de limpieza del filtro de la servo-válvula para una operación normal
es (10µm absoluto) y para una operación de larga vida es (5µm absoluto), por lo que no
es sencillo poder limpiarlo para utilizarlo nuevamente. La diferencia entre estas dos es
básicamente el nivel de limpieza que debe tener el aceite de la unidad de potencia
hidráulica (HPU) para que una servo-válvula dure más o menos tiempo.
La partícula más pequeña que a simple vista puede ver el ojo humano es de 40µm por lo
que si alguien observa el filtro a simple vista y afirma que no está sucio se trata
absolutamente de algo incierto. Es seguro que el filtro tiene partículas que impiden la
operación correcta de la servo-válvula y que la persona no puede observar dichas
partículas.
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24 Ingeniería en Control y Automatización
La menor concentración de partículas que el ojo humano puede observar a simple vista es
de 20 o 30 veces más que cualquier sistema. Para hacer una comparación, un cabello
humano en promedio mide 70µm.
Es inútil tratar de reparar una servo-válvula, por lo que no tiene caso abrirla y retirar la
tapa para tratar de hacerlo y mucho menos tratar de ponerla en operación si es que fue
abierta ya que es completamente seguro que si no tenía daño alguno, al abrirla se dañe.
La servo-válvula cuenta con un filamento muy delgado el cual tiene una cierta tensión de
calibración de fábrica y al retirar la tapa de la servo-válvula este filamento se rompe o se
desprende de la bobina. Este filamento tiene la función de sensar la presión de aceite que
ingresa por las dos toberas de la servo-válvula dependiendo del movimiento que tenga el
piloto, el sensor entra exactamente en una ranura a la mitad del piloto y al ser roto o
desprendido el filamento la servo-válvula pierde totalmente la función de diseño. Si
hubiera la posibilidad de que se lograra unir el filamento o soldar nuevamente al cuerpo
de la bobina, es seguro que será imposible lograr la calibración de la servo-válvula ya que
se requieren equipos especiales y certificados para su calibración por lo que no tiene caso
intentarlo.
1.3.3 Circuito de regulación
Con el potenciómetro de valor nominal se preselecciona una tensión de valor prescripto,
la cual corresponde a una determinada posición del cilindro. La posición real del
cilindro, el valor real, es indicado por la tensión del potenciómetro de valor real. Ambas
tensiones se restan en la entrada del amplificador, es decir, se obtiene una diferencia
del valor prescripto- valor real, que es el error, la desviación de la regulación. El error
es amplificado y con la señal resultante se excita la bobina de al servo-válvula. La
servo-válvula abre y el cilindro se desplaza. Durante el movimiento del cilindro varia la
posición del potenciómetro de valor real; la tensión de valor real se acerca cada vez más
a la del valor prescripto hasta alcanzarla. En este momento el cilindro llegó a la posición
deseada. Durante este proceso el error se hace cada vez más pequeño y a pesar de la
amplificación la bobina de la servo-válvula dispone cada vez de menos corriente.
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25 Ingeniería en Control y Automatización
Es decir, la servo-válvula cierra paulatinamente frenando al cilindro. Al llegar a la
posición prescripta el error es cero y la servo-válvula está cerrada.
Las magnitudes de perturbación que influyen en el resultado de la cadena de mando
abierta no influye en el resultado del circuito cerrado de regulación. Esta es una
característica fundamental de la técnica de regulación.
Las figuras 7 y 8 representan el circuito de regulación de la servo-válvula, la figura 7
presenta un diagrama de bloques del circuito de regulación, mientras que la figura 8 nos
muestra dicho circuito de una forma más explícita; este circuito se explica en seguida.
Figura 7 Diagrama de bloques simplificado de circuito de regulación
Figura 8 Circuito de regulación con servo-válvula
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26 Ingeniería en Control y Automatización
1.3.4 Dinámica de servo-válvulas
La dinámica del elemento se puede observar en la curva característica de
frecuencia mostrada en la figura 9. Los técnicos en materia de la regulación como
medida de evaluación han determinado la frecuencia a la cual el trayecto de
amplitud desde -3 dB a 3 dB significa que la caída de amplitud de la magnitud de
salida representa el 30% de la magnitud entrada. 9
Figura 9 Reducción de la amplitud y retraso de la fase
1.3.5 Causas de oscilación
Es muy común que se presentes oscilaciones en las válvulas que son operadas por
servo-válvulas en los sistemas electrohidráulicos.
Si al lazo de control de dicha válvula se le simula señal de corriente para observar su
respuesta y si ésta no presenta la misma oscilación se puede descartar una falla probable
del sistema de control.
Se tiene la experiencia de que la oscilación se debe a que el filtro de la servo-válvula no
está completamente limpio por lo que se recomienda reemplazarlo. La causa raíz de que
este filtro no se encuentre limpio es muy probablemente la saturación de los filtros de
descarga de la HPU por lo que se recomienda también su reemplazo.
9 Mannesmann Rexroth, Técnica de válvulas proporcionales y de servoválvulas, Goimendi, Alemania, pp.145
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27 Ingeniería en Control y Automatización
Es muy frecuente que cuando en una válvula que opera a través de una servo-válvula se
presenten oscilaciones se manipule la regulacion de presión conocida como “reg null”.
Este es el último recurso al que debe recurrirse para tratar de eliminar una oscilación.
El “reg null” es con el cual se calibra el paso de aceite a través de las toberas de la servo-
válvula al sensor o filamento, en otras palabras es el ajuste de la calibración de la servo
válvula y este se determina a través de pruebas con equipos patrón especiales en fábrica.
Si este componente es manipulado es probable que se elimine la oscilación pero también
es muy probable que surja otro problema mayor como el que la válvula a la cual
pertenece no abra o no cierre completamente.
Es común también que cuando se manipula el “reg null” se gire hacia un lado y hacia el
otro varias vueltas hasta considerar que se tiene en el punto adecuado, sin embargo, el
“reg null” solo tiene 90 grados de ajuste a partir del punto donde se encuentra ajustado de
fábrica por lo que puede uno estar seguro que si al girarlo se pasa por el mismo lugar
después de un giro no se está realizando absolutamente ni una sola acción en la servo-
válvula. Como se dijo al principio, este es el último recurso para tratar de eliminar una
oscilación y es completamente seguro que se va a modificar la calibración de la servo-
válvula si es manipulado.
Es muy común también que cuando se presenta alguna oscilación o que no abre o cierra
completamente la válvula a la cual pertenece la servo-válvula se retire el filtro de ésta
para su inspección. En muchas ocasiones como a simple vista no se aprecian partículas
en el filtro se deduce que está limpio y regularmente solo se limpia con solvente y se
sopletea con aire a presión. El ojo humano puede apreciar a simple vista partículas de
40µm y el filtro contiene partículas de máximo 10µm por eso la razón de que el filtro se
considere limpio después de inspeccionarlo. Se recomienda no instalar el mismo filtro si
se sospecha que es la causa de la falla, lo mejor es reemplazarlo por un filtro nuevo.
1.4 PLC
En 1969 la División Hydramatic de la General Motors instaló el primer PLC para
reemplazar los sistemas inflexibles alambrados usados entonces en sus líneas de
producción.
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28 Ingeniería en Control y Automatización
Ya en 1971, los PLC se extendían a otras industrias y, en los ochentas, ya los
componentes electrónicos permitieron un conjunto de operaciones en 16 bits,-
comparados con los 4 de los 70s, en un pequeño volumen, lo que los popularizó en todo
el mundo.
En los primeros años de los noventas, aparecieron los microprocesadores de 32 bits con
posibilidad de operaciones matemáticas complejas, y de comunicaciones entre PLCs de
diferentes marcas y PCs, los que abrieron la posibilidad de fábricas completamente
automatizadas y con comunicación a la Gerencia en "tiempo real".
Los sistemas automatizados han evolucionado desde el control de los relés hasta los
que usan facilidades computacionales desarrolladas en los tiempo presentes.
Actualmente el desarrollo de los sistemas automáticos lo representan esencialmente los
PLC.
1.4.1 Descripción
Un PLC (Controlador Lógico Programable) es un dispositivo electrónico de estado sólido
que puede controlar un proceso o una maquina y que tiene la capacidad de ser
programado o reprogramado rápidamente según la demanda de la aplicación. Fue
inventado para remplazar los circuitos secuenciales basados en relés que eran
necesarios para el control de las maquinas.
El PLC funciona monitoreando sus entradas y dependiendo de su estado activando y
desactivando sus salidas. El usuario introduce al PLC un programa, usualmente vía
software lo que ocasiona que el PLC se comporte de manera deseada
De acuerdo con la definición de la "Nema" (National Electrical Manufacturers Association)
un controlador programable es: "Un aparato electrónico operado digitalmente, que usa
una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones para
implementar funciones específicas, tales como lógica, secuenciación, registro y control de
tiempos, conteo y operaciones aritméticas para controlar, a través de módulos de
entrada/salida digitales (ON/OFF) o analógicos (1 5 VDC, 4 20 mA, etc.), varios tipos de
máquinas o procesos.
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29 Ingeniería en Control y Automatización
1.4.2 Clasificación de PLC
Debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones, en su
capacidad, en su aspecto físico y otros, es que es posible clasificar los distintos tipos en
varias categorías.
PLC tipo Nano:
Generalmente el PLC de tipo compacto ( Fuente, CPU e I/O integradas ) que puede
manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un número inferior a 100. Permiten
manejar entradas entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales.
PLC tipo Compactos:
Estos PLC´s tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y módulos de I/O en
un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos (
alrededor de 500 I/O ) , su tamaño es superior a los Nano PLC y soportan una gran
variedad de módulos especiales, tales
como:
· Entradas y salidas análogas
· Módulos contadores rápidos
· Módulos de comunicaciones
· Interfaces de operador
· Expansiones de i/o
PLC tipo Modular:
Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el controlador final,
estos son:
· Rack
· Fuente de Alimentación
· CPU
· Módulos de I/O
ESIME – Zacatenco IPN
30 Ingeniería en Control y Automatización
De estos tipos existen desde los denominados MicroPLC que soportan gran cantidad de
I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de I/O.
1.4.3 Funcionamiento
Un PLC trabaja realizando continuamente un barrido (SCAN) sobre un programa. Este
ciclo de barrido o scan consta principalmente de 3 pasos, aunque típicamente son más de
tres ya que existen otros como el chequeo del sistema y la actualización de los
contadores y temporizadores internos. Este ciclo se puede apreciar en la figura 10
Figura 10 Ciclo de trabajo de un PLC.
Paso 1-Diagnóstico Interno: En este paso el PLC revisa su circuitería interna en busca de
defectos de entradas, salidas, CPU, memorias y batería. También revisa el
desbordamiento de memoria para revisar fallas en el programa de aplicación.
Paso 2-Chequear el estado de las entradas: Al principio el PLC accede a cada una de las
entradas para determinar si están activadas o desactivadas (on/off). Es decir, ¿ Esta
activado el sensor conectado a la primera entrada?, ¿El segundo?, ¿El tercero? … Luego
el PLC graba estos datos en la tabla imagen de proceso para usarlos en el próximo paso.
Paso 3-Ejecutar el programa de la aplicación: El PLC ejecuta el programa de la aplicación
creada por el usuario una instrucción a la vez. Por ejemplo, si el programa especifica que
si la primera entrada esta “on” se debe activar la salida numero 2, el PLC graba este
ESIME – Zacatenco IPN
31 Ingeniería en Control y Automatización
resultado para tomarlo en cuenta en el próximo paso. Como ya el PLC conoce cuales
entradas están activadas o desactivadas (paso 2), él será capaz de decidir cuales salidas
se deben activar basado en el estado de las entradas y en el estado de los contadores,
temporizadores y bits internos. Como ya se dijo el PLC guarda este resultado para usarlo
en el próximo paso.
Paso 4- Actualizar el estado de las salidas: Finalmente el PLC actualiza el estado de las
salidas basado en los resultados lógicos del paso 3. Siguiendo el ejemplo del paso 3, el
PLC activara en este tercer paso la salida numero 2 basado en el hecho que la primera
entrada estaba en “on”.
Después del cuarto paso el PLC vuelve al paso uno y repite la rutina continuamente. Así,
un SCAN se define como el tiempo que toma el PLC para ejecutar los cuatro pasos
descritos anteriormente, en la figura 11 se muestra una representación gráfica de los
tiempos del SCAN dentro del PLC.
Figura 11 Esquema de tiempos relativos dentro del SCAN del PLC
ESIME – Zacatenco IPN
32 Ingeniería en Control y Automatización
Figura 12 Tiempo típico de SCAN de un PLC
El PLC toma cierta cantidad de tiempo para realizar un auto diagnóstico de sus tarjetas
electrónicas como se muestra en la figura 12.
Auto diagnóstico: Chequea para verificar que todas las tarjetas estén libres de falla,
restaura el perro de guardia(WATCHDOG TIMER), etc. (El “WATCHDOG” causará un
error e interrumpirá el funcionamiento del PLC sino es restaurado dentro de un período
corto de tiempo. Esto indicaría que la lógica del programa no esta siendo escaneada
normalmente).
Barrido de Entradas: Lee los valores de entrada disponibles en los chips de las tarjetas de
entrada y copia sus valores en la memoria. Esto hace al PLC más rápido y evita casos
donde una entrada cambia entre el principio y el final del programa.
Existen también funciones especiales de los PLC´s que leen las entradas directamente y
evitan el uso de las tablas de imagen.
Ejecución de la Lógica: Basado en la tabla de imagen de entradas, el programa es
ejecutado un paso a la vez, y al mismo tiempo se va actualizando en memoria la tabla de
imagen de salida.
ESIME – Zacatenco IPN
33 Ingeniería en Control y Automatización
Barrido de Salidas: La tabla de imagen de salida es copiada desde la memoria hacia los
chips de salida. Estos chips de salida entonces accionan los dispositivos de salida (relés,
transistores, etc.)
El PLC pude ver la entrada on / off solamente durante el tiempo de barrido de entrada. En
otras palabras, él solamente ve sus entradas durante la parte del scan correspondiente al
chequeo de entradas.
1.5 PID
El controlador PID (Proporcional, Integral y Derivativo) es un controlador realimentado
cuyo propósito es hacer que el error en estado estacionario, entre la señal de referencia y
la señal de salida de la planta, sea cero de manera asintótica en el tiempo, lo que se logra
mediante el uso de la acción integral. Además el controlador tiene la capacidad de
anticipar el futuro a través de la acción derivativa que tiene un efecto predictivo sobre la
salida del proceso.
1.5.1 Descripción
El control proporcional integral derivativo (PID), mejor conocido como controlador de
tres términos dará una salida, para una entrada de error de e , de
Salida = 0
t
P i d
deK e K edt K
dt
La función de transferencia, salida (s)/ e(s), del controlador es, de la siguiente manera:
( ) i
e p d
KG s K K s
s
El sistema del PID se ilustra en la figura 13:
(1)
(2)
ESIME – Zacatenco IPN
34 Ingeniería en Control y Automatización
Figura 13 Sistema del PID
Debido a que la constante de tiempo integral, i , es /p iK K y la constante de tiempo
derivativa, d es /d pK K la ecuación (2) se puede escribir como
( ) 1
1( ) 1
i d
c p
p p
c p d
i
K K sG s K
K s K
G s K ss
La función de transferencia en lazo abierto para el sistema es
2
1( ) ( ) ( ) 1 ( )
1 ( )( )
o c p p d p
i
p i i d p
o
i
G s G s G s K s G ss
K s s G sG s
s
(3)
(4)
ESIME – Zacatenco IPN
35 Ingeniería en Control y Automatización
AJUSTE DE LAS GANANCIAS DEL CONTROLADOR.
Con un controlador PID se deben seleccionar tres variables: la ganancia proporcional pK ,
la ganancia integral iK y la ganancia derivativa dK . La selección de estas variables
permite localizar los polos y ceros que introduce el controlador a ser determinados, y por
lo tanto, afectan la estabilidad del sistema de control.
Uno de los métodos para lograr la sintonización es el de Ziegler y Nichols. El primer
método (Ziegler) a menudo se le denomina “método de la curva de reacción del proceso” .
el procedimiento con este método consiste en abrir el lazo de control de modo que no se
presenten acciones de control
En general, la ruptura del lazo se hace entre el controlador y la unidad de corrección. se
aplica entonces una señal de prueba a la unidad de corrección y se determina la
respuesta de la variable de proceso medida, es decir, la señal de error. La señal de
prueba deberá ser tan pequeña como sea posible
La 14 figura nos muestra la forma de la señal de prueba y una respuesta típica:
Figura 14 Curva de reacción de proceso
ESIME – Zacatenco IPN
36 Ingeniería en Control y Automatización
La señal de prueba P, se expresa como el porcentaje de cambio en la unidad de
corrección, la variable medida se expresa como el porcentaje del rango a escala
completa. Para dar el máximo gradiente de la grafica se traza una tangente. Para la figura
anterior el máximo gradiente R es M / T. el tiempo entre la aplicación de la señal de
prueba y cuando esta tangente intercepta el eje de tiempo de la grafica se denomina
atraso L.
A continuación se proporcionan los criterios recomendados por Ziegler y Nichols para los
valores del controlador con base en los valores de P, R y L. En la tabla 1
MODO DE CONTROL pK iK dK
Proporcional solamente P / RL
Proporcional + integral 0.9 P / RL 1 / 3.33 L
Proporcional + integral + derivativo 1.2 P / RL 1 / 2L 0.5 L
Tabla 1 Criterios de Ziegler y Nichols para la cuerva de reacción del proceso
Los parámetros teóricos descritos dentro de este capítulo serán la base para la
comprensión del sistema a analizar dentro en los siguientes capítulos.
Todos los conceptos y descripciones de los temas de este primer capítulo servirán de
base para tener un conocimiento amplio y entender el funcionamiento y la importancia de
la servo-válvula dentro del sistema y es así como finaliza el capítulo 1. Dentro del capítulo
2 se verá con mayor detalle el conjunto de los elementos que forman al sistema
electrohidráulico y su participación conjunto a la servo-válvula y se describirá cada uno de
ellos.
ESIME – Zacatenco IPN
37 Ingeniería en Control y Automatización
INTRODUCIÓN
Dentro de este capítulo se abordan criterios concretos del sistema a estudiar con la
finalidad de tener las bases para el adecuado control propuesto dentro del capítulo III.
De la misma forma introduce a términos y características del sistema al que se enfocara
CAPÍTULO II
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
ESIME – Zacatenco IPN
38 Ingeniería en Control y Automatización
2.1 CONTROL DIGITO ELECTROHIDRÁULICO
El mecanismo de gobierno de la turbina cuenta con un Sistema de Control
Electrohidráulico Digital (DEH) el cuál es utilizado para monitorear y controlar el arranque,
operación normal y paro de la turbina, conducir y supervisar la prueba de los sistemas de
actuación para cada válvula de vapor controlada por el sistema DEH y las funciones de
disparo de emergencia del sistema y controlar la posición de las válvulas
estranguladoras, interceptoras y de gobierno.10
La configuración del sistema DEH incorpora funciones de control las cuales se
implementan por el lógico de software y el lógico de cableado. Las siguientes funciones
se implementan en el lógico del software utilizando las CPU redundantes en el
sistema de DEH como se muestra en la figura 15
Figura 15 Sistema de control DEH
10
Salustiano García Pecero, Control electrohidráulico de turbinas de vapor, CFE, México, 2008, pp. 12
ESIME – Zacatenco IPN
39 Ingeniería en Control y Automatización
2.1.1 Modo de operación
La velocidad de la turbina y la carga son controladas por la posición de las válvulas con
las cuales se regula el flujo de vapor a la turbina. El DEH ajusta automáticamente la
posición de las válvulas a través de una señal eléctrica suministrada a las servo-válvulas
que regulan la presión de aceite a los actuadores.11
El DEH se compone de los siguientes equipos principales:
Unidad de Potencia Hidráulica HPU
Sistema de distribución de aceite de alta presión
Actuadores electrohidráulicos
Sistema de control digital
Para que el sistema de control electrohidráulico opere bajo condiciones óptimas es
primordial mantener un control estricto de las características fisicoquímicas del aceite.
Esto debido a que en el sistema existen componentes que pueden ser obstruidos por
impurezas o los metales pueden ser atacados por el pH y humedad que pueda contener
el aceite.
El aceite recomendable para ser utilizado en el DEH debe tener las siguientes
características:12
Aceite de alta presión sintético
Punto de inflamación: ≥300˚C
Densidad: 1.136g/ml a 20˚C
El nivel de limpieza del aceite es requerido en base a las características de construcción
de las servo-válvulas siendo estos los elementos más delicados del sistema. Para el caso
de la CT FPR el modelo de las servo-válvulas es J073-229 fabricadas en Japón
11
Ítem 12
Ibídem, pp. 27
ESIME – Zacatenco IPN
40 Ingeniería en Control y Automatización
Descripción de los diferentes sistemas de aceite
El objetivo de los sistemas de aceite en el turbogrupo es mantener el flujo, la presión y la
temperatura de aceite en valores controlados tales que aseguren la correcta operación del
turbogrupo disminuyendo con esto la probabilidad de operar bajo condiciones anormales
que provoquen daños severos y/o irreparables a los diferentes elementos del turbogrupo.
El turbogrupo cuenta para su operación y protección con bombas de aceite de lubricación,
bomba torna flecha y bomba de corriente directa las cuales succionan el aceite del tanque
principal que tiene una capacidad suficiente para dar el flujo requerido por el sistema de
lubricación y protección de la turbina. 13
El turbogrupo cuenta con una Unidad Hidráulica de Potencia (HPU) la cual incluye
bombas de alta presión que succionan el aceite del tanque de esta misma unidad y lo
descargan al sistema con una presión de 120 kg/cm2 suficiente para dar la potencia
requerida por los cilindros hidráulicos para posicionar las válvula de turbina y mantener el
control adecuado de cada una de ellas.
El aceite electrohidráulico previo a realizar la función de control en las válvulas de turbina
es pasado a través de un enfriador que utiliza como medio refrigerante agua de
circulación. El flujo de agua de circulación es controlado por una válvula de control que da
respuesta a una señal de temperatura. La operación correcta de este control es
importante ya que la temperatura del aceite a la salida del enfriador debe ser de 40˚C y
retornar al tanque aproximadamente a 60˚C. La finalidad de controlar esta temperatura es
que el aceite mantenga la viscosidad adecuada para evitar que opere en forma ineficiente
en los dispositivos de control provocando con ello oscilaciones u operación anormal de las
válvulas de turbina14
Aceite de Alta Presión
Al poner en servicio cualquier bomba de aceite de la HPU, el aceite se presuriza hasta las
servo-válvulas de las válvulas de estrangulamiento, válvulas interceptoras y válvulas de
gobierno. Las válvulas de estrangulamiento e interceptoras permanecen cerradas al
13
Ibídem, pp. 31 14
Ibídem, pp. 31-32
ESIME – Zacatenco IPN
41 Ingeniería en Control y Automatización
momento de llevar a cabo el restablecimiento de la turbina, sin embargo las válvulas de
gobierno abren al 100%.15
Las válvulas de paro de vapor RH, no cuentan con servo-válvula por lo que la
presurización se efectuará directamente sobre el pistón abriendo en el momento del
restablecimiento de la turbina. Mientras no sea restablecida, el aceite estará drenándose y
recirculando hacia la HPU por efecto de la válvula SV-201.16
Cuando la turbina sea restablecida, por acción de la lógica de control del DEH, las servo-
válvulas de las válvulas de gobierno y de las válvulas interceptoras permitirán el paso de
aceite presurizando los servomotores con lo cual estas válvulas abrirán al 100%. 17
2.1.2 Descripción funcional del sistema de control
El sistema cuenta con 14 actuadores, 12 servo-válvulas, 14 LVDT´s, 14 válvulas de
drenaje, 14 acumuladores y 14 solenoides para prueba de válvulas, todos estos
elementos instalados en las válvulas de turbina, además de la Unidad Hidráulica de
Potencia (HPU) la cual a través de las bombas de alta presión suministra aceite de alta
presión de su propio tanque a todo el sistema. La presión de suministro es de 120 kg/cm2
y se alcanza al poner una sola bomba en servicio para el 100% de carga de la unidad, la
otra bomba queda en reserva como respaldo por falla o mantenimiento para dar mayor
confiabilidad operativa. Cuenta con un automatismo de tal forma que al dispararse una
bomba entra la otra inmediatamente, esto también sucede al presentarse una presión en
el cabezal menor de 102 kg/cm2.18
2.2 VÁLVULAS DE CONTROL
Las válvulas de control se han manipulado dentro de la década de los 90 „s así como
en la actualidad en algunas centrales termoeléctricas, mediante dos servomotores que
se encuentran a los costados de la válvula gobernadora. El movimiento ejercido por los
servomotores son los causantes de la apertura o cierre de las válvulas de control
15
Ibídem, pp. 2 16
Ídem 17
Ídem 18
Ibídem, pp. 6
ESIME – Zacatenco IPN
42 Ingeniería en Control y Automatización
Como se ha mencionado, la manipulación de las válvulas de control en la actualidad se
encuentra regida en cierto porcentaje por servo motores, los cuales poco a poco están
siendo desplazados por nuevas tecnologías, una de ellas son las servo-válvulas, las
cuales por sus características que se mencionan en el capitulo anterior dan una
ventaja en comparación de los servo motores, por lo que aumenta la precisión de la
apertura y cierre de cada válvula de control
2.2.1 Descripción de los sistemas existentes
Servomotor de las válvulas de control
El servomotor opera las válvulas de control de la caja de distribución de vapor; el vástago
de su embolo está conectado a través de un par de eslabones a la palanca de operación
de las válvulas de control. La palanca está apoyada de tal manera que un movimiento
hacia arriba del pistón de operación, abre las válvulas y un movimiento hacia abajo las
cierra.
El pistón del servomotor es controlado por la respuesta de presión contenida en el cilindro
del servomotor, el embolo admite aceite de alta presión a una cámara debajo de este para
abrir las válvulas, y lo alivia al dren para cerrarlas (se cierran por la acción de los resortes
montados sobre cada válvula) como se muestra en la figura 16. El aceite de alta presión
es suministrado a la cámara arriba del embolo por medio de un pequeño orificio taladrado.
La presión en esta cámara es mantenida por los pernos del vástago del embolo, de
manera que la fuerza del resorte y la fuerza debida a la presión del aceite son
balanceadas.
ESIME – Zacatenco IPN
43 Ingeniería en Control y Automatización
Figura 16 Manipulación de válvulas de control mediante servomotor
Válvulas de prueba del servomotor de las válvulas de control.
Las válvulas de prueba del servomotor de las válvulas de control es esencialmente una
válvula de regulación de presión de aceite y está provista para probar la libertad de
movimiento del vástago de las válvulas de control durante la operación normal.
Este dispositivo está montado en el cilindro del servomotor de las válvulas de control y
está conectado a través de agujeros taladrados a la cámara de abajo del embolo
relevador del servomotor y a la línea del dren en el cilindro del servomotor.
Para probar las válvula de control, el volante es girado en la dirección de las manecillas
del reloj manualmente o bien remotamente por medio del motor hasta que se tenga una
presión positiva debajo de la válvula de copa. Un switch de presión conectado a la cámara
de debajo de la válvula de copa indica cuando esta presión positiva sea producida. En
este tiempo la compresión del resorte cargado de la válvula de copa es suficiente para
restringir el flujo de aceite al dren, creando así una contrapresión en el embolo relevador
del servomotor.
ESIME – Zacatenco IPN
44 Ingeniería en Control y Automatización
Las válvulas de control cierran en proporción a este cambio de presión permitiendo el
control de cierre de estas válvulas durante el cierre y apertura.
Se requiere una presión positiva de 2.1 2/kg cm bajo la válvula de copa para cerrar
completamente las válvulas de control. Virando el volante en dirección contraria a las
manecillas del reloj, se releva al dren del aceite a través de la válvula de copa y las
válvulas de control abren. El movimiento de las válvulas puede detenerse en cualquier
posición ya sea cuando se abre o se cierra.
Características y parámetros
Características principales Parámetros de operación
Fabricante: Mitsubishi Heavy Ind. Al 100 % de carga
Tipo: tapón simple Presión: 169 kg/cm2
Material cuerpo caja de vapor: Temperatura: 538°C
Acero forjado al cromo. Molibdeno. Flujo de vapor: 915.3 ton/hr
Material válvula: acero al cromo.
2.3 SERVO-VÁLVULA
Se emplean en el sistema (CEH) para convertir las señales de baja potencia de los
circuitos de CEH a niveles de potencia altos, que son proporcionadas a las válvulas de
control. Esto se realiza por medios de servo-válvulas de tres o cuatro vías para
controlar el flujo del aceite desde un actuador hidráulico en proporción a la corriente en
la servo-válvula.
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45 Ingeniería en Control y Automatización
2.3.1 Características y parámetros
Desde siempre los accionamientos hidráulicos han sido utilizados ampliamente en
aplicaciones donde se requiere altas potencias, como la industria del transporte,
construcción, carga, manufactura, recreación, entre otras, debido a su principal ventaja, la
cual es transmitir fuerzas elevadas con ayuda de elementos de dimensiones reducidas,
con lo cual se obtiene una relación potencia-peso mucho mayor que los sistemas
neumáticos y eléctricos. Típicamente se utilizan dos tipos de actuadores hidráulicos:
cilindros y motores. Cada uno de ellos con un amplio número de clasificaciones que se
seleccionan de acuerdo a la necesidad, si es de tipo lineal o rotatorio.
Las servo-válvulas empleadas en el sistema cuentan con los siguientes parámetros
Marca: Moog
Nc: numero de espiras de cada bobina 915
Resistencia de cada bobina 29 ohms (+ - 7%)
t: longitud del espacio de aire entre armadura e imán permanente = 0.48 mm
a : radio de al armadura = 20.21 mm
Área de paso de flujo magnético entre armadura e imán permanente = 20.47 mm
El par desarrollado por el motor en función del ángulo de giro de la armadura y para
diferentes intensidades se muestra en la figura 17
Figura 17 Representación grafica del momento creado por el motor de par
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46 Ingeniería en Control y Automatización
Las características propias de la servo – válvula se muestran en las tablas 2, 3 y 4 presentadas a continuación y seccionadas en características técnicas, hidráulicas, técnicas eléctricas, electrónica externa e información sobre protección.
Tabla 2 Características técnicas de servo-válvula
Tabla 3 Características hidráulicas
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47 Ingeniería en Control y Automatización
Tabla 4 Características adicionales (electrónica externa e información contra explosión)
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48 Ingeniería en Control y Automatización
2.3.2 Control actual de servo-válvula
Actualmente la mayor parte de las C.T. han actualizado sus sistemas electro-
hidráulicos a sistemas DEH por las ventajas que tienen los PLC. De las misma forma en
la que el PLC se ha ido introduciendo dentro de la generación en las C.T. las servo
válvulas han tenido un gran impacto al control de las válvulas de control ya que por
ser más precisas en sus movimientos y tratar la manipulación de cada válvula de
control en forma individual proporcionan una mayor exactitud en la regulación de
vapor.
Control DEH
El mecanismo controlador digito electrohidráulico provee flexibilidad por medio del uso
de dispositivos digitales en conjunto con componentes electrónicos.
El control DEH tiene la función de mandar la lógica de control deseada a las servo-
válvulas, las cuales gobiernan finalmente a las válvulas de control.
El control propio de las servo-válvulas actualmente se centra en controladores lógicos
programables los cuales proporcionan la lógica de control a las servo-válvulas y dichas
actúan a voluntad de dicha secuencia programada.
Dicho control a pesar de sus versatilidades cuenta con oscilaciones ocasionadas por
partículas que afectan el optimo funcionamiento de las servo-válvulas. Las oscilaciones
existentes son reducidas por filtros en el sistema hidráulico.
A pesar de utilizar filtros de alta calidad las oscilaciones no son reducidas al grado de no
provocar perturbaciones en el sistema por lo que aun se cuenta con un control con
carencias.
2.3.3 Control de servo-válvula propuesto
El control propuesto integra un PID con el fin de reducir la oscilación que afecta al
sistema haciendo al control más fino y preciso en sus acciones de control
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49 Ingeniería en Control y Automatización
2.3.4 Circuito de regulación de posición PI
Figura 18 Diagrama de bloques del accionamiento de un cilindro con regulación de
posición
En este caso (Figura 18) se considera a la servo-válvula y al cilindro como un sistema
de segundo orden conectados en serie.
La integración está dada en este caso para el pasaje de velocidad a la carrera del
cilindro. Dicho sistema se puede ver como un sistema de segundo orden si se observa
bajo el aspecto de la técnica de regulación. El cilindro posee un comportamiento
proporcional referido a la velocidad y comportamiento integral referido a la carrera del
cilindro como se muestra en la Figura 19
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50 Ingeniería en Control y Automatización
Figura 19 Grafica carrera – tiempo
Influencia de la dinámica de la servo-válvula sobre el circuito de regulación
Figura 20 Diagrama a bloques simplificado de cilindro con regulación de posición
Despreciando las características dinámicas de la servo-válvula y el cilindro de
posicionamiento se obtiene un sistema de primer orden para el cual vale lo siguiente:
La amplificación del circuito Kv es igual al producto de todos los factores de
amplificación de todos los componentes de transmisión en el circuito mostrado en la
figura 20.
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51 Ingeniería en Control y Automatización
Kv= Kp∗𝑉
𝑞∗𝐾 𝑥
𝐴 [s-1]
Vq =Amplificación del caudal [ cm3 / s / V ]
Vp =Amplificación de presión [ bar/Volt]
Kp =Amplificación eléctrica
Kx =Amplificación en el captador de posición [V/cm]
Kpq =Amplificación caudal presión [cm3/s/bar]
Kv =Amplificación del circuito [ cm2 ]
A= Superficie del cilindro [ s-1 ]
Constante de tiempo en el circuito de regulación
La constante proporcional es proporcional a 1 / Kv
T = 1 / Kv [s]
Es decir, en cuanto es más grande la amplificación del circuito Kv más rápido será el
sistema.
Con lo presentado en este capítulo se cuenta con las bases necesarias para adentrarse
al control de la servo - válvula por PLC con integración de un PID ya que se expusieron
apartados que describen el sistema actual.
Con esto concluye el capítulo 2, y una vez que conocimos desde el concepto hasta el
funcionamiento de cada uno de los elementos que constituyen el sistema electrohidráulico
se dará pie al capítulo 3, en el cual se desarrollará toda la ingeniería, como lo es el
modelado, la simulación del modelo, la lógica de control de las servo-válvulas y la
propuesta de programación del PLC para el arranque del sistema.
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52 Ingeniería en Control y Automatización
INTRODUCCIÓN
Lo referido y puntualizado de los capítulos anteriores servirá para el correcto
desempeño del control de la servo válvula. Por lo que dentro de este capítulo se
desarrollara la integración del PID a una lógica de control propuesta dentro de
parámetros conocidos.
Cabe mencionar que lo descrito en este capítulo es basado y adaptado a modelos
existentes con el fin de tener mayor margen de precisión en las simulaciones. Dichas
simulaciones responderán exclusivamente a parámetros teóricos, por lo que si se desea
implementar en planta la sintonización del PID tiene que ser en condiciones internas de
dicha planta.
Por lo que en este capítulo se describe a grandes rasgos la obtención del modelo, se
enfoca en la lógica de control en PLC y el impacto de la integración de PID dentro del
sistema.
CAPÍTULO III
CONTROL DE LA SERVO - VÁLVULA
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53 Ingeniería en Control y Automatización
3. 1 DESARROLLO DE INGENIERÍA.
Los modelos, las simulaciones, la propuesta de lógica de control así como los valores del
PID presentados en este capítulo son basados en condiciones de laboratorio y con
valores de catalogo propio de la servo-válvula a estudiar (MOOG) además de ser
enfocados a un PLC SIEMENS por lo que en condiciones de planta ( Central
Termoeléctrica ) pueden verse modificados de acuerdo a condiciones presentadas en la
misma.
3.2 MODELADO
De acuerdo a las características que presenta la servo-válvula el modelo matemático no
puede ser considerado como un todo si no un conjunto que se desglosa en dos
partes fundamentales las cuales tienen su propio modelo por lo que se abarcaran de
forma independiente en:
Modelo eléctrico (motor de par)
Modelo hidráulico (toberas paleta)
3.2.1 Modelo eléctrico (motor de par)
Motor de par
Este es el elemento principal de accionamiento para el control de la servo-válvula, en
concreto se trata de un dispositivo eléctrico que da un par proporcional a la intensidad
suministrada a la bobina.
Debido a que las características estáticas y dinámicas del motor de par juegan un
papel importante en el funcionamiento de las servo-válvulas, se analizan a
continuación.
El motor de par está alimentado por una fuente de corriente continua de 12 v la cual
crea una intensidad de corriente suministrada.
Dicho comportamiento se puede apreciar en la Figura 21 y 22
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54 Ingeniería en Control y Automatización
Figura 21 Esquema de funcionamiento de un motor de par
(a) (b)
Figura 22 Esquema del flujo magnético
Con el fin de establecer el flujo en los espacios entre armadura e imanes permanentes
a través de la propia armadura se hará un análisis aproximado asumiendo que los entre
hierros constituyen las reluctancias dominantes en el circuito, esto implica que se
despreciara las reluctancias de los materiales magnéticos frente a las del aire.
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55 Ingeniería en Control y Automatización
Debido a la simetría podemos asumir que las reluctancias de los espacios de aire
diagonalmente opuestos son iguales valiendo.
1
0
t yR
A
2
0
t yR
A
Con estas suposiciones el circuito magnético puede simplificarse como se muestra en
la figura 21 b. Teniendo en cuenta que el flujo a través de los espacios opuestos será el
mismo, se deduce aplicando las leyes de Kirchoff:
0 01
122 (1 )
c c
g
M N i M N i
yRR
t
0 02
122 (1 )
c c
g
M N i M N i
yRR
t
Donde:
0
g
tR
A = reluctancia de cada espacio de aire en el punto neutro, (Amper/ Weber)
cN i = fuerza magneto motriz debida a las corrientes de control
0M viene definido en términos de flujo en el espacio de aire cuando la armadura esta
en el punto neutro
En el punto neutro donde (Δi = Y = 0) las dos ecuaciones anteriores se reducen a
0 0
01 2
2g
g
M
R
(5)
(6)
(7) (8)
(9)
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56 Ingeniería en Control y Automatización
Donde Φg es el flujo en cada uno de los cuatro espacios entre armadura e imán
permanente en el punto neutro. Así las relaciones de flujo en los espacios de aire son:
1
1
g c
y
t
2
1
g c
y
t
Donde la cantidad de Φc es el flujo debido a la intensidad diferencial, y se define
como
2
cc
g
N i
R
Podemos comprobar que el flujo en dos espacios de aire depende de la suma de flujo
del imán permanente y de la señal, mientras que en los dos espacios restantes el flujo
depende de la diferencia de los flujos mencionados.
Si se suma el flujo magnético en los dos extremos tenemos:
1 2p
1 2a
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
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57 Ingeniería en Control y Automatización
Esta última se puede combinar con las ec (9) y (10), obteniendo:
2
2
2 2
1
g c
a
y
t
y
t
De consideraciones geométricas se puede decir:
tany
a
La aproximación indicada es válida debido a que las deflexiones son pequeñas
La ecuación fundamental de la fuerza generada por un campo magnético está definida
por:
2 2
0 02 2
B AF
A A
(
El par neto desarrollado será proporcional a la diferencia de los cuadrados de los flujos
en consecuencia el par neto desarrollado sobre la armadura será :
2 2
1 2
0
d
aM
A
Sustituyendo el flujo magnético por su valor, ecuaciones (10) y (11) y después de
ciertos desarrollos algebraicos obtenemos
22
2 2
22
2
1 1
1
ct m
g
d
yK i K
tM
y
t
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
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58 Ingeniería en Control y Automatización
donde:
4( / )t c gK a t N = Constante de par del motor
21/ 1/(8( / )m g gK a t R = Rigidez magnética del motor de par
Finalmente de acuerdo a criterios la ecuación que determina el par que suministra el
motor en función de la intensidad suministrada a la servo-válvula y del ángulo girado
por la armadura es:
d t mM K i K
Partiendo de los datos de características y parámetros mencionados en el tema 2.3.1
se calcula Kt
Kt = par de motor / corriente = 0.113 / 0.020 Nm / A = 5.65 Nm/A
Para el flujo magnético se procede a sustituir valores en
4
tg
c
K
aN
t
= 9.77 x 10 -3 Weber
Por otro lado el valor de la reluctancia magnética en la posición central es
0
g
g
tR
A
= 1.86 x 107 Amper / Weber
(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)
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59 Ingeniería en Control y Automatización
La constante magnética Km resultante es = 25.5 N m/rad
El par neto desarrollado por el motor de par en función al ángulo a distintas
intensidades se muestra en la figura 22.
3.2.2 Modelo hidráulico
Sistema Toberas/Paletas
Para dicho modelo se considera el principio de conservación de movimiento a un
volumen de control fijo tal y como se expresa en la siguiente ecuación:
( ) ( ) ( )salida entrada
n nVC S S
dF V dV V V ds V V ds
dt
Donde el primer sumando del segundo término de la ecuación expresa al
variación temporal de la cantidad de movimiento dentro del volumen de control.
El segundo y el tercer sumando del segundo término nos dan el flujo de la
cantidad de movimiento que entra y sale del volumen de control.
El primer término de la ecuación representa la suma de las fuerzas exteriores
que actúan sobre el volumen de control.
Fuerzas de flujo que actúan sobre la paleta cuando el flujo es saliente
Si se le denomina Pe a la presión a la entrada del sistema y Pt a la presión de salida
y aplicando la ecuación de la energía entre la entrada del sistema y la salida de la
tobera se tiene:
21
2Pe P V
Donde V es la velocidad media a la salida de la tobera
(26)
(27)
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60 Ingeniería en Control y Automatización
De acuerdo con la definición de caudal se puede decir:
0
[ ] 2
Pe PtQ Cd d X
Aplicando la ecuación de continuidad para una sección de paso circular, tenemos que
la velocidad media a la salida de la tobera se puede expresar:
0 [ ]4 2
X Pe PtV Cd
d
Aplicando el principio de la cantidad de movimiento al fluido contenido en el volumen
de control y suponiendo que el flujo es incomprensible y el flujo en régimen
permanente resulta:
( )extSC
F V vds
Posteriormente a operaciones algebraicas se obtiene la ecuación que determina la fuerza
resultante que el fluido ejerce sobre el sólido en función de la distancia tobera –
paleta, el diámetro de la tobera, el coeficiente de descarga y las presiones de entrada y
salida de la tobera
/
2
2 0( ) 1 44fluido solidoX
XR d Pe Pt Cd
d
(28)
(29)
(30)
(31)
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61 Ingeniería en Control y Automatización
3.2.3 Diseño del controlador PID por el método de Ziegler-Nichols
2 2
2 2
11
con Ti= y Td=0
( )5 4 6 9
( )
( ) 5 4 6 9
PID Kp TdsTis
KpPID Kp KpTds
Tis
KpG s PID
s s s s
C s Kp
R s s s s s Kp
2 2
4 3 2 3 2 2
4 3 2
4
3
2
0 1
0 1
0 0
5 4 6 9
. . 6 9 5 30 45 4 24 36
. . 11 43 69 36
1 43 36
11 69 0
polinomio caracteristico s s s s
p c s s s s s s s s
p c s s s s Kp
s Kp
s
s b b
s c c
s d
0
1
1 431 1(69 473) 36.7272
11 6911 11
1 361 1(0 (396 11 )) 36
11 011 11
b
Kpb Kp Kp
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62 Ingeniería en Control y Automatización
0
0
1
11 691
36.7272 3636.7272
1((396 11 ) 2534.1768) 58.2178 0.2995
36.7272
11 010
36.7272 036.7272
cKp
c Kp Kp
c
0
0
0
36.7272 361
58.2178 0.2995 058.2178 0.2995
10 ((58.2178 0.2995 ) (36 ))
58.2178 0.2995
36
Kpd
KpKp
d Kp KpKp
d Kp
4
3
2
0
1 43 36
11 69 0
36.7272 36
58.2178 0.2995 0
36
s Kp
s
s Kp
s Kp
s Kp
Para encontar la Kcr
58.2178 0.2995 0
0.2995 58.2178
58.2178
0.2995
194.3833
Kcr
Kcr
Kcr
Kcr
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63 Ingeniería en Control y Automatización
4 3 2
4 3 2
4 3 2
4 2 3
11 43 69 36 0
( ) 11( ) 43( ) 69( ) 36 194.3833 0
11 43 69 230.3833 0
( 43 230.3833) (69 11 ) 0
s s s s Kp
jw jw jw jw
w jw w jw
w w j w w
4 2 3
23
2
2
2
1
2
2
2
43 230.3833 0 69 11 0
469 11
2
43 1849 921.533211 69
2
43 927.4668 696.2727
2 11
43 30.4543
2
36.7271 6.2727
6.2727
6.2727
w w w w
b b acw w
a
w
w
w w
w
w
22.5087
6.2727
10.6(194.3833) 1 0.125 2.5087
(0.5)(2.5087)
1116.6299 1 0.3135
1.2543
ZN
ZN
Pcr
PID ss
PID ss
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64 Ingeniería en Control y Automatización
3.3 SIMULACIÓN DEL SISTEMA
En la simulación de la servo-válvula con un actuador lineal, observamos que el
movimiento del vástago de dicho actuador obedece a la ecuación siguiente:
2
2 ext
d Z dZM K PS F
dt dt
Los terminos independientes se agrupan en “a”
a
2
2 ext
d Z dZM K PS F
dt dt
Se igualan a cero
𝑀𝑑2𝑍
𝑑𝑡2 + 𝐾𝑑 𝑍
𝑑𝑡 – 𝑎 = 0
Todo se divide entre M
𝑑2𝑍
𝑑𝑡2 +𝐾
𝑀
𝑑 𝑍
𝑑𝑡 –
𝑎
𝑀= 0
Se depeja en termino de mayor orden
𝑑2𝑍
𝑑𝑡2 = 𝑎
𝑀−
𝐾
𝑀
𝑑 𝑍
𝑑𝑡
Se sustituye por 7 en 6
𝑦 =𝑑 𝑍
𝑑𝑡
Se obtiene 8
𝑑𝑦
𝑑𝑡 =
𝑎
𝑀−
𝐾
𝑀 𝑦
(32)
(33)
(34)
(35)
ESIME – Zacatenco IPN
65 Ingeniería en Control y Automatización
Matlab simulink
De acuerdo a los parametros establecios con anterioridad se plantea el siguiente
diagrama a bloques con la simulación del comportamiento de la servovalvula.
En la Figura 23 se muestra el diagrama de bloques que representa el comportamiento
del sistema sin controlador PID apreciado en la figura 24.
Figura 23 Diagrama a bloques de sistema sin PID
Figura 24 Comportamiento del sistema sin PID
Posteriormente en la figura 25 se muestra el diagrama que se representa con la
integración del PID.
ESIME – Zacatenco IPN
66 Ingeniería en Control y Automatización
Figura 25 Diagrama a bloques del sistema con PID
Figura 26 Comportamiento del sistema con PID
ESIME – Zacatenco IPN
67 Ingeniería en Control y Automatización
En la figura 27 se muestra la comparación del sistema con y sin integración del PID
Figura 27 Comparación del sistema con y sin PID (A)
Como se muestra en la figura 27 el sistema que no tiene integrado el PID tiene un
comportamiento no apropiado para laborar por lo que se observa un sobre impulso en la
reacción así como un tiempo mayor para estabilizarse.
Figura 28 Comparación del sistema con y sin PID (B)
ESIME – Zacatenco IPN
68 Ingeniería en Control y Automatización
Dentro de la figura 28 se enmarca el comportamiento que tienen los sistemas con la
finalidad de visualizar con mayor detalle la sección en la que existe un rango de
variación
Figura 29 Análisis del sistema comparado
En la figura 29 se muestra la diferencia existente entre las dos señales de salida, la señal
del mayor sobre impulso es la referente a la gráfica sin control PID y la del menor sobre
impulso es la gráfica que representa la señal con control PID.
Esta gráfica se realiza con un valor de 80% de apertura en la servo-válvula, obteniendo
los siguientes valores (mín, máx).
El punto máximo tiene un valor de: 5.32x10-³cm
El punto mínimo tiene un valor de: 2.3 x10-³ cm
La diferencia entre estas 2 señales (ΔG) es igual a: 3.02 x10-³ cm
La generación de potencia en la turbina es de 340 MW, ya que se tienen 4 servo-válvulas
para el control del flujo de vapor hacia la turbina, se divide la potencia total entre 4,
quedando la potencia parcial por cada servo-válvula con 85 MW.
ΔG
P. máx.
P. mín.
ESIME – Zacatenco IPN
69 Ingeniería en Control y Automatización
Realizando una regla de 3, conociendo que 1 cm de desplazamiento en la servo-válvula
representa la apertura total de flujo, que su máxima potencia de salida será de 85 MW, y
utilizando la ∆G con el valor conocido de 3.02 x10-³ cm. Entonces:
1
3.02 x10−3
85 𝑀𝑊
𝑥
Quedando la incógnita x con un valor de : 256.7 KW. Lo que se traduce a un ahorro de
energía de esa magnitud en un lapso de unos segundos.
3.4 CONTROL PLC
3.4.1 Filosofía de control
Debido a que no se cuenta con la filosofía de control que maneja Comisión Federal de
electricidad (CFE) por ser un secreto de industria o empresa, a continuación se propondrá
una lógica de control alterna a la original, tratando de analizar los elementos más
significativos que nos conlleven a un bueno control de nuestras servo-válvulas dentro del
sistema de gobierno de la turbina
Principalmente hay que aclarar que la turbina cuenta con dos válvulas de gobierno y cada
una de ellas cuenta a su vez con 4 actuadores, cada par de estos actuadores son
controlados mediante las servo-válvulas por lo que en nuestro sistema de gobierno
contamos con 4 servo-válvulas.
La potencia que genera la turbina es de 340 MW que es la potencia que nos van a
generar nuestros actuadores abiertos al 100 % por lo que para el análisis solo se va a
generar el control para un lado gobernador de la turbina ya que el otro lado es
prácticamente lo mismo.
Entonces dividiremos la capacidad entre 4, que serian 85 MW que produciría cada par de
actuadores abiertos al 100% y por lógica la capacidad producida por cada servo-válvula.
ESIME – Zacatenco IPN
70 Ingeniería en Control y Automatización
Para una mayor comprensión la lógica de control se explica en base a la apertura de un
solo actuador, pero hay que tener en cuenta que el elemento que va a ejercer la acción de
control es la servo-válvula mediante su posicionamiento y el libre paso del aceite
hidráulico.
ARRANQUE.
Para precalentar la turbina se procede de la siguiente manera:
El actuador No.1 se abre al 10% de su capacidad de apertura.
Una vez obtenido este porcentaje de apertura, el actuador No.2 entrara de la
misma manera que el primero, abriendo hasta el 10% de su capacidad.
Posteriormente se abrirá el actuador No. 3 hasta el 10% de su capacidad de
apertura.
Finalmente se accionara el actuador No.4 hasta que alcance su 10% de apertura
total.
Posteriormente se abrirán los actuadores hasta una capacidad del 30% de la
apertura total de cada uno de ellos, siguiendo la misma secuencia antes
mencionada para cada actuador.
Acabada la apertura del 30% de los actuadores, abrir hasta el 50% de la
capacidad total cada uno de los actuadores.
Para finalizar el arranque, llevar hasta el 80% de apertura cada uno de los
actuadores, en esta fase la turbina está en condiciones adecuadas para su
funcionamiento normal.
ESIME – Zacatenco IPN
71 Ingeniería en Control y Automatización
DIAGRAMA DE FLUJO DEL ARRANQUE PROPUESTO PARA LA TURBINA
Figura 30 diagrama de flujo
ESIME – Zacatenco IPN
72 Ingeniería en Control y Automatización
ESQUEMA DE INTERVALOS DE TIEMPO EN EL ARRANQUE PROPUESTO
Figura 31 Esquema de intervalos de tiempo en el arranque
El diagrama anterior nos muestra el desglose de los tiempos de apertura del actuador de
acuerdo al porcentaje de apertura.
Empezamos teniendo parado o apagado el proceso, en un determinado tiempo se
presiona el botón de arranque y el actuador debe comenzar abriendo en un 10 %,
teniendo en cuenta que existe un tiempo determinado de apertura desde que arranca
hasta que existe un tiempo de espera.
ESIME – Zacatenco IPN
73 Ingeniería en Control y Automatización
Comportamiento del transmisor de posición (LVDT)
El transmisor empleado en el sistema, debe tener límites mínimos y máximos que sense
desde el 0% de apertura con 4 mA a la salida, hasta el 100% de apertura con 20 mA a la
salida. Para los transmisores LVDT usados en el sistema se define a continuación los
argumentos que definen su comportamiento:
Su comportamiento es lineal
La señal mínima que entrega es de 4 mA y la máxima de 20 mA
Teniendo en cuenta que el comportamiento del LVDT es lineal, se hace uso de la
ecuación general de la recta.
y mx b
donde:
2 1
2 1
y ym
x x
En el caso del transmisor la pendiente está dada por:
20 40.16
100 0m
Sustituyendo se obtiene:
0.16y x b
Evaluando la ecuación en 4y ; 0x se tiene:
4 0.16(0) b
Por lo tanto:
4b
Por lo tanto la ecuación del comportamiento del LVDT es:
0.16 4y x
Teniendo esto, se puede realizar la tabulación correspondiente de los valores, teniendo
como resultado la figura 32
(36)
ESIME – Zacatenco IPN
74 Ingeniería en Control y Automatización
Figura 32 Comportamiento del LVDT
Su representación en diagrama de bloques queda como:
0123456789
101112131415161718192021
0 6.2
5
12
.5
18
.75
25 31
.25
37
.5
43
.75
50 56
.25
62
.5
68
.75
75 81
.25
87
.5
93
.75
10
0C
orr
ien
te (
mA
)
% de apertura
Comportamiento del LVDT
0.16 4y x
Posición censada
( 0% - 100% )
Salida de corriente
( 4 – 20 mA )
ESIME – Zacatenco IPN
75 Ingeniería en Control y Automatización
3.4.2 Criterio de selección del PLC
A continuación se presentan las características mínimas que se requieren para operar de
manera real sin importar el PLC que se trate:
Tener compatibilidad con tarjetas de entradas y salidas analógicas de 4-20 mA.
Capacidad de realizar operaciones en la programación con punto flotante.
Es necesario que se pueda programar uno o varios controles PID de acuerdo a la
simulación.
Por lo que se plantea la propuesta de utilizar el PLC Allen Bradley SLC 500, ya que de
manera fácil podemos contar con el programa RSLogix, y los simuladores RSLinx o
RSEmulate, ya que no se conto con el acceso a las instalaciones.
3.4.3 Selección de módulos de entradas
La selección de módulos de entrada se basó en las características reales de los
transmisores–sensores. Para esto se tienen que tomar en cuenta las siguientes
características de las tarjetas de entrada para su correcta interpretación en el PLC.
Se debe de emplear el menor número de módulos de entradas.
Dado a que las ecuaciones de simulación se basaron en sensores reales con
señales de 4-20 mA se debe de emplear módulos de entradas que puedan
interpretar estas señales.
La selección de los módulos de entradas analógicas depende en gran medida del
escalamiento que se requiera para el control del proceso.
Por lo que el modulo de entradas y salidas que cumple con lo anterior es la tarjeta de
entrada 1746-NI8, ya que el número de entradas es adaptable a las entradas que
tenemos.
ESIME – Zacatenco IPN
76 Ingeniería en Control y Automatización
Tipo de entrada Rangos de señal Unidades de
ingeniería
Escalamiento de
unidades de
ingeniería
10 Vcc -10.25 V a +10.25
V
-10250 a +10250 1 mV/step
0-5 Vcc -0.5 V a +5.5 V -500 a +5500 1 mV/step
1-5 Vcc +0.5 V a +5.5 V +500 a +5500 1 mV/step
0-10 Vcc -0.5 V a +10.25 V -500 a +10250 1 mV/step
0-20 mA -0.5 mA a 20.5 mA -500 a 20500 1.0 µA/step
4-20 mA 3.5 mA a 20.5 mA 3500 a 20500 1.0 µA/step
20 mA -20.5 mA a 20.5
mA
-20500 a 20500 1.0 µA/step
0-1 mA -0.05 mA a 1.05
mA
-50 a 1050 1.0 µA/step
Tabla 5 Modos de escalamiento para la interpretación en el PLC
Los valores de la tabla anterior solo son para que se puedan manejar dentro del programa
RSLinx realizando operaciones sin control PID, debido a que en este caso se plantea un
control en cascada, es necesario agregar dos controladores PID, pero los valores de
escalamiento empleados para la interpretación del PID son totalmente diferentes a los
antes mencionados, por lo que es necesario realizar otro escalamiento basado en los
valores de la tabla 6.
ESIME – Zacatenco IPN
77 Ingeniería en Control y Automatización
Tipo de entrada Rango de señal Escalamiento para el PLC
10 Vcc -10.00 V a +10.00 V 0 a 16383
0-5 Vcc 0.0 V a +5.00 V 0 a 16383
1-5 Vcc +1.00V a +5.00V 0 a 16383
0-10 Vcc 0.0V a +10.00V 0 a 16383
0-20mA 0.0 mA a 20.0 mA 0 a 16383
4-20mA 4.0 mA a 20.0 mA 0 a 16383
20mA -20.0 mA a 20.0 mA 0 a 16383
0-1mA 0.0 mA a 1.00 mA 0 a 16383
Tabla 6 Modos de escalamiento para la interpretación del PID
En el caso de entradas digitales se maneja el modulo de entradas digitales 1746-IB8, la
razón por la cual se agrego este modulo es el poder mandar una señal de arranque y paro
del sistema de lubricación de forma manual. En este caso el escalamiento no es
considerado ya que solo se manda una señal de parte de una entrada para arrancar el
sistema y otra señal para poder detenerlo. Debido a que no se tiene acceso a la planta, en
la presente propuesta se plantea únicamente una señal de accionamiento sin tomar en
cuenta el mecanismo que la produzca.
3.4.4 Selección de los módulos de salida
En la presente propuesta solo se presenta una salida analógica, la cual produce una señal
de 4-20mA controlada, esta señal puede ser manipulada de tal manera que pueda
satisfacer las necesidades de control para cualquier tipo de válvula lineal y de cualquier
marca, pero de igual manera es necesario realizar un escalamiento para que se pueda
interpretar la señal que manda el control propuesto al modulo de salida analógica, para
este caso se platea un modulo 1746-NIO4I, en el cual los rangos de operación y
escalamiento están definidos en la tabla 7
ESIME – Zacatenco IPN
78 Ingeniería en Control y Automatización
Rango de la señal de
salida
Rango decimal Resolución
4-20mA 6,242 to 31,208 2.56348 μA
0-10 Vcc 0 to 32,764 1.22070 mV/
0-5 Vcc 0 to 16,384 1.22070 mV/
Tabla 7 Escalamiento de la señal de salida de la tarjeta 1746-NIO4I
En el caso de la salida digital se propone un modulo de salida 1746-OA8 ya que se
plantea una señal la cual se pueda manejar a consideración de las especificaciones de la
planta, la cual produzca el paro o arranque del sistema de lubricación.
3.4.5 Selección del CPU
La selección del PLC se baso principalmente en dos aspectos
Memoria del CPU
Instrucciones
Teniendo como selección el procesador SLC5/03 debido a las siguientes características
Este procesador proporciona 8 k o 16 k de memoria. E l canal RS-232 integrado le
proporciona la flexibilidad de conectar dispositivos inteligentes externos sin la necesidad
de tener módulos adicionales. Los sistemas modulares de E/S se pueden configurar con
un máximo de 3 chasis (30 ranuras en total) y de 4 puntos de E/S se a un máximo de
4096 puntos de E/S.
3.4.6 Selección de la fuente de alimentación
La selección de la fuente se basa principalmente en tres factores de capacidad de
corriente de las tarjetas y del cpu del PLC
Capacidad de corriente (Amper) a 5V
Capacidad de corriente (Amper) 24 V
ESIME – Zacatenco IPN
79 Ingeniería en Control y Automatización
Capacidad de corriente del usuario
Así mismo existen una diversidad de 7 fuentes de alimentación para el PLC SLC 500 con
sus diferentes características de capacidad de corriente y voltaje de línea, estas
características se observan en la tabla 8
No
deCat.
Voltaje de
linea
Capacidad de
corriente (Amps ) a
5V
Capacidad
de corriente
(Amps) 24 V
Capacidad de
corriente del
usuario
Corriente de
entrada al
momento de
arranque. max
1746-P1 De 85-
132/170-265
VCA, DE 47 A
63 hZ
2A
0.46
0.2 mA a 24 VCC
20 A
1746-P2 De 85-
132/170-265
VCA, DE 47 A
63 hZ
5A
0.96
0.2 mA a 24 VCC
20 A
1746-P3 De 19.2 a 28.8
VCC
3.6A
0.87
--------------------
20 A
1746-P4 De 85-
132/170-265
VCA, DE 47 A
63 hZ
10A
2.88
1 mA a 24 VCC V
45 A
1746-P5 De 90 a146
VCC
5A 0.96 0.2 mA a 24 VCC 20 A
1746-P6 De 30 a 60
VCC
5A 0.96 0.2 mA a 24 VCC 20 A
Tabla 8 Características de las fuentes de alimentación
ESIME – Zacatenco IPN
80 Ingeniería en Control y Automatización
Para la selección de la fuente es necesario tomar en cuenta los factores mencionados
anteriormente para cada tarjeta de entrada, salida y el CPU, para este caso los cálculos
se realizaron mediante la tabla 9
Chasis Nº 1 Corrientes máximas
Numero de ranura Nº de catalogo 5 VCC 24 VCC
0 1747-L532 500 mA 175 mA
1 1746-NI8 200 mA 100 mA
2 1746-NIO4I 55 mA 145 mA
3 1746-OA8 185 mA -
4 1746-N2 - -
5 1746-N2 - -
6 1746-N2 - -
Corriente total 0.94 A 420 mA
Tabla 9 Distribución de corriente de acuerdo a los módulos empleados
Los datos de corriente total se emplean para poder obtener la potencia en watts mínima
necesaria para poder tener un correcto desempeño del sistema, estas operaciones se
observan en la tabla 10 con la cual se obtiene la fuente de alimentación requerida para el
PLC de la presente propuesta.
Corriente Multiplicar por = Watts
Corriente total a 5 VCC
0.940 A 5 V 4.7 Watts
Corriente total a 24 VCC
0.420 A 24 V 10.08 Watts
Corriente de usuario a 24 VCC
0.500 A 24 V 12 Watts
Fuente de alimentación requerida 1746-P1
Tabla 10 Selección de la fuente de acuerdo al consumo de los módulos
ESIME – Zacatenco IPN
81 Ingeniería en Control y Automatización
3.4.7 Programación
La base de la propuesta de control por PLC se realizó tomando en cuenta las señales de
entrada y las señales de salida, tal y como se muestra en la figura 33 existen tanto
entradas analógicas como digitales, pero en el planteamiento de esta propuesta se busca
el control de la variable analógica de salida a la válvula de control.
Figura 33 Diagrama de entradas y salidas físicas del PLC
A su vez se realizó un escalamiento de cada variable como se menciono en la selección
de tarjetas de entradas y salidas para la interpretación de la interfaz, este escalamiento se
puede observar en la programación
Programación del PLC
En esta sección se explicará el programa realizado en RSLogix 500 línea por línea para
que se tenga la información necesaria para entenderlo. El programa está construido por
dos partes, la primer parte es la principal (LAD 2), mientras que la secundaria es la
subrutina 1 (LAD 3 - SUB 1).
Para poder entender con mayor facilidad el programa hay que tener presente la lógica de
programación y el diagrama de entradas y salidas.
ESIME – Zacatenco IPN
82 Ingeniería en Control y Automatización
LAD 2
Línea 0000
I:1/0 - Botón de paro general (NC)
I:1/1 - Botón de arranque general (NA)
I:1/2 - Contacto de protección (NC)
Descripción.- El sistema bajo el control del PLC se activará siempre y cuando las 3
entradas estén con 1 lógico, es decir, que el botón de arranque general (I:1/1) se oprima,
cuando se oprima el botón de arranque general se dará paso a que comience la subrutina
1,En el momento que se cumple la condición mencionada anteriormente, el sistema está
listo para operar (solo estará listo para operar, no iniciará a operar el sistema).
Línea 0001
Descripción.- Aquí únicamente aparece el comando o la instrucción END, que quiere decir
que finaliza el programa principal.
LAD 3 (SUB 1)
Línea 0000
Descripción.- Se inicia utilizando el comando MOV, este se encarga de trasladar un dato a
una localidad, en este caso se pasa el valor del contador C5:0.ACC a la localidad de
memoria N7:2. El PLC tiene una lógica de lectura de arriba hacia abajo, por lo que el
comando MOV tiene la tarea de pasar los valores que se encuentran en líneas más abajo
hacia las primeras líneas, esto es para tener los valores de los comandos con prioridad en
la lectura y de este modo tener actualizados dichos datos y que el PLC los tenga en
cuenta desde el principio.
ESIME – Zacatenco IPN
83 Ingeniería en Control y Automatización
Línea 0001
Descripción.- Al igual que en la línea 0000, se utiliza el comando MOV para pasar el valor
del contador C5:1.ACC a la localidad de memoria N7:6.
Línea 0002
Descripción.- Esta línea contiene un bloque nombrado ADD y se emplea para sumar 2
señales (N7:2 y N7:6), la salida de esta sumatoria se guardará en la localidad de memoria
N7:3.
Línea 0003
Descripción.- Se mueve el valor del contador C5:2.ACC a la localidad de memoria N7:7.
ESIME – Zacatenco IPN
84 Ingeniería en Control y Automatización
Línea 0004
Descripción.- Sumar las señales N7:3 y N7:7, la salida de esta sumatoria se guardará en
la localidad de memoria N7:4.
Línea 0005
Descripción.- Se mueve el valor del contador C5:3.ACC a la localidad de memoria N7:8.
Línea 0006
Descripción.- Sumar las señales N7:4 y N7:8, la salida de esta sumatoria se guardará en
la localidad de memoria N7:5.
ESIME – Zacatenco IPN
85 Ingeniería en Control y Automatización
Línea 0007
Descripción.- Se mueve el valor de N7:15 a la localidad de memoria N7:16.
Línea 0008
Descripción.- Aquí se encuentra el bloque SCP (Scale With Parameters) el cual sirve para
escalar los valores de entrada a valores que entienda el PLC, y posteriormente convertir
estos valores a otros que se utilicen para la activación de la salida (actuador). El bloque
SCP tiene una entrada (N7:5), la cual va a ser escalada de un valor de entrada que va de
4 a 20 mA y tendrá una salida de 0 a 16383, este último rango es el que entiende el PLC,
es decir, el PLC no utiliza las señales de 4 a 20 mA, es por esta razón por la cual se
deben de escalar las señales.
Línea 0009
Descripción.- Al igual que el comando pasado este SCP se encargará de escalar una
señal a otra, en este caso se empleará para escalar los valores del PLC a una señal de
salida que recibirá la servo-válvula.
ESIME – Zacatenco IPN
86 Ingeniería en Control y Automatización
Línea 0010
Descripción.- En esta línea se inicia la secuencia de arranque, la entrada I:1\3 es la señal
que manda el LVDT al PLC y al estar en 1 lógico activará la bobina B3:0\5 que
inmediatamente enclavará al circuito.
Línea 0011
Descripción.- La línea de programación comienza con un contacto normalmente abierto
(NA) de la bobina B3:0\5, luego pasa a un contacto normalmente cerrado (NC) del
contador C5:0.DN que servirá para evitar que el timer TON T4:1 siga su secuencia de
conteo. La indicación DN significa done, que tiene la función de activarse cuando el
comando haya terminado su tarea respecto al preset elegido. Por último se tiene al ya
mencionado timer TON T4:1 que realizará un conteo hasta llegar a su preset.
ESIME – Zacatenco IPN
87 Ingeniería en Control y Automatización
Línea 0012
Descripción.- Existe un contacto NA que cerrará cuando el timer TON T4:1 logre llegar al
valor del preset, al cerrar enviará una señal a la bobina B3:0.0 y a la bobina reset que
pondrá en condiciones iniciales al T4:1, logrando con esta combinación de comandos un
ciclo repetitivo de instrucciones.
Línea 0013
Descripción.- Se comenzará con la activación del contacto B3:0.0 que cerrará al
energizarse la bobina que lleva el mismo direccionamiento, después se encuentra un
contador CTU C5:0 que llevará la cuenta de los pulsos que le enviará el T4:1.
Línea 0012
Descripción.- Se observa un comando llamado EQU, este se dedica a comparar 2 valores.
Cuando los valores que compara son idénticos manda una señal al TON T4:2, y este
último realizará un conteo hasta su valor preestablecido.
Línea 0013 – línea 0025
Descripción.- Como se podrá observar, las líneas de programación subsecuentes son
repetición de los comandos utilizados anteriormente para lograr que la válvula realizará
ESIME – Zacatenco IPN
88 Ingeniería en Control y Automatización
una apertura del 10%, solo que ahora se hará una apertura del 30%, después de un 50%
y finalmente un 80%.
ESIME – Zacatenco IPN
89 Ingeniería en Control y Automatización
Línea 0026
Descripción.- Finalmente se encuentra un bloque llamado PID este es el encargado de
realizar una tarea correctiva sobre la señal final, se emplea para asegurar que se está
obteniendo a la salida del sistema la respuesta que deseamos conseguir. En este bloque
se le deben de introducir las ganancias proporcional, derivativa e integral para estabilizar
la señal en el valor deseado.
Así es como finaliza este tercer capítulo, ya que se realizó un modelado del sistema, se
hizo una simulación y se formuló una propuesta de control.
En el capítulo 4 se inicia un análisis de resultados. En este capítulo se explorarán las
ventajas y/o desventajas que desprende la ingeniería hecha en el capítulo
ESIME – Zacatenco IPN
90 Ingeniería en Control y Automatización
INTRODUCCIÓN
En este capítulo se determinan las viabilidades de la integración de PID dentro de un
análisis de control con PLC y las ventajas que se tienen al tenerse un control de estas
características, así como el impacto que se tiene en costos provocados por la
ingeniería.
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS
ESIME – Zacatenco IPN
91 Ingeniería en Control y Automatización
4.1 ANÁLISIS DE CONTROL
De acuerdo a la filosofía de control propuesta para el PLC se observa que puede ser
de gran aportación, al ser esta una forma de control más exacta y que reduce
desgastes innecesarios por lo que se puede interpretar a gran escala en una generación
adecuada a las necesidades demandadas.
4.2 ANÁLISIS DE INTEGRACIÓN PID
Mediante los resultados arrojados por los modelos simulados y sintonizados se deduce
que el controlador PID enfocado al funcionamiento apropiado de la servo-válvula puede
ser de mayor efectividad con la intervención de la acción proporcional, derivativa e
integral ya que por sus propiedades tiende a cubrir con las necesidades del sistema.
Por otro lado como se puede apreciar en las graficas la estabilidad aun tiene una
oscilación la cual podría ser eliminada aumentando el valor de la ganancia Kd, pero esto
solo representaría una forma ideal lo cual solo se daría teóricamente ya que en
condiciones reales existen diversos factores que evitarían una eliminación total de las
oscilaciones por lo que en el presente documento se muestra un comportamiento con
un porcentaje de ( +, - ) error. El cual indica o abarca las posibles intervenciones no
consideradas.
Los factores que no son considerados son debido a que por leyes internas de los
proveedores y usuarios (CFE, SIEMENS y MOOG) no pueden ser otorgadas
4.3 ANÁLISIS ECONOMICO
4.3.1 Impacto económico (CFE)
De acuerdo al impacto observado en los análisis anteriores se puede deducir que la
repercusión económica que tendría la integración de un PID al control con PLC se
vería reflejada en costos favorables de mantenimiento, conservación y generación ya
que reduciría significativamente desgastes ocasionados por oscilaciones de la servo-
válvula y provocaría un control más viable.
ESIME – Zacatenco IPN
92 Ingeniería en Control y Automatización
Examinando la cuestión económica en cuestión de capital ahorrado no se podría dar
algo en concreto ya que es una situación que va ligada a diversos sectores a los cuales
se requerirían un estudio económico más detallado con un concepto más amplio de las
ventajas que tendría esta integración
Lo anterior se enfocaría a lo redituable que podría ser para las centrales termoeléctricas
únicamente.
4.3.2 Costos de ingeniería
Servicios Personal P UNI ($)
Ingeniería, desarrollo y
puesta en marcha
3
300,000.00
Instalación supervisión y
mano de obra
2
100,000.00
SUBTOTAL
$400,000.00
+ IVA(2010
$64,000.00
TOTAL $464.000.00
El costo del equipo no se considera debido a que la integración del PID puede estar
inmersa dentro del PLC que manejen por lo que los costos mencionados solo serian de
ingeniería en el lapso de un mes así como la puesta en marcha.
ESIME – Zacatenco IPN
93 Ingeniería en Control y Automatización
Costos desglosados de personal
Personal Ganancia por hora Ganancia por día Ganancia mensual
INGENIERO 1
$ 416.60
$ 3,333.30
$ 100,000.00
INGENIERO 2
$ 416.60
$ 3,333.30
$ 100,000.00
INGENIERO 3
$ 416.60
$ 3,333.30
$ 100,000.00
TÉCNICO 1
$ 208.40
$ 1,667.00
$ 50,000.00
TÉCNICO 2
$ 208.40
$ 1,667.00
$ 50,000.00
TOTAL
$1,666.60
$13,333.90
400,000.00
Los costos por mantenimiento o actualizaciones necesarias no van incluidos
ESIME – Zacatenco IPN
94 Ingeniería en Control y Automatización
CONCLUSIONES
De forma general y basado en los análisis planteado con anteoridad se logran los
objetivos de tener una propuesta de control que optimice el funcionamiento de las
válvulas de control, basado en el previo análisis del comportamiento de una servo-
válvula.
Por lo que se puede puntualizar se reitera la eficacia de un control digito electro
hidráulico (PLC) ante controles arcaicos aun manejados en diversas centrales y que al
ser complementados con un PID pueden llegar a tener mayor viabilidad dentro de dicho
sector de generación eléctrica. Ya que al ser esta forma de control una plataforma para
reducir el mantenimiento y componentes que llegan a tener diversas imperfecciones en
su funcionamiento
Siendo así una alternativa excepcional no solo para el control de una servo válvula si
no que también puede ser aplicada en diversos sistemas de la central termoeléctrica o
bien diversas centrales no necesariamente termoeléctricas.
ESIME – Zacatenco IPN
95 Ingeniería en Control y Automatización
BIBLIOGRAFÍA
- Potencia Hidráulica controlada por PLC
Martínez Sánchez Victoriano Ángel
Alfaomega, 2009
- Ingeniería de control moderna
Ogata, Katsuhiko.
3a ed.
Pearson, 2003.
- Ingeniería de control
Bolton, W.
2a ed.
Alfaomega, 2001.
- Control automático de procesos : teoría y práctica
Smith, Carlos A. / Armando B. Corripio
Limusa, 1997
- Control electrohidráulico de turbinas de vapor
Salustiano García Pecero
CFE, 2008
- Servo-válvula direccional con recuperación mecánica
Rexroth Bosch Group
- Técnica de válvulas proporcionales y de servo-válvulas
Mannesmann Rexroth
Goimendi
- Turbinas de vapor
CFE, 1993
- Control Electro – Hidráulico
CFE, 2009
- Control valve handbook
Emerson
- Electrohydraulic valves
Moog
ESIME – Zacatenco IPN
96 Ingeniería en Control y Automatización
GLOSARIO
Servo-válvula: Es una válvula solenoide que incluye una bobina y una válvula piloto. La
válvula que utiliza el DEH es normalmente cerrada por lo que requiere ser excitada para
abrir. La bobina es excitada con un voltaje de 125 VCD y una corriente variable de ± 50
mA y dependiendo de la corriente aplicada a la servo-válvula la válvula piloto se
desplazará en el interior de la solenoide cambiando de puertos con lo que el flujo de
aceite al actuador aumentará o se drenará posicionando a la válvula de turbina.
LVDT: Es un transformador diferencial de variación lineal el cual se utiliza para medir
desplazamientos lineales. Consta de tres bobinas, una central y dos externas. Las
bobinas están conectadas en serie pero invertidas por lo que el voltaje de salida es la
diferencial de voltaje entre las dos bobinas externas (secundarios). La magnitud del
voltaje de salida es proporcional a la distancia que es desplazado el núcleo y la fase del
voltaje indica la dirección del desplazamiento. Con este dispositivo se informa al operador
de la unidad la posición exacta que tiene cada una de las válvulas de la turbina.
Actuador: Es el dispositivo que convierte la energía hidráulica a energía mecánica y se
encarga de aplicar la fuerza para el movimiento del vástago de las válvulas de turbina.
Filtro: Es el dispositivo que se encarga de retener las partículas o contaminantes
insolubles provenientes del aceite de alta presión y realiza esta función solo por un tiempo
determinado por el nivel de limpieza del aceite.
Válvula de turbina: Son las encargadas de bloquear o permitir el flujo de vapor a la
turbina de acuerdo a la posición en la que se encuentren.
Flushing: Es el proceso mediante el cual se hace circular el aceite con una alta presión a
través de las tuberías del sistema electrohidráulico.
Polishing: Es la retención de partículas y contaminantes insolubles en uno o varios filtros
que se realiza posteriormente al flushing.
DEH (Digital Electro Hydraulic): Sistema de Control Electrohidráulico Digital.
ESIME – Zacatenco IPN
97 Ingeniería en Control y Automatización
HPU (Hydraulic Power Unit): Unidad Hidráulica de Potencia
PLC: (Programmable Logic Control). Control Lógico programable. Dispositivo que
mediante programa lógico de contactos o “ladder”, realiza secuencias de multiples
índoles, tales como señales digitales o analógicas, protocolos rs232, Ethernet, profibus,
etc…
Señal de salida: es la variable que se desea controlar (posición, velocidad, presión,
temperatura, etc.). También se denomina variable controlada.
Señal de referencia: es el valor que se desea que alcance la señal de salida.
Error: es la diferencia entre la señal de referencia y la señal de salida real.
Señal de control: es la señal que produce el controlador para modificar la variable
controlada de tal forma que se disminuya, o elimine, el error.
Señal análoga: es una señal continua en el tiempo.
Señal digital: es una señal que solo toma valores de 1 y 0. El PLC solo envía y/o recibe
señales digitales.
Conversor análogo/digital: es un dispositivo que convierte una señal analógica en una
señal digital (1 y 0).
Conversor digital/análogo: es un dispositivo que convierte una señal digital en una señal
analógica (corriente o voltaje).
Planta: es el elemento físico que se desea controlar. Planta puede ser: un motor, un
horno, un sistema de disparo, un sistema de navegación, un tanque de combustible, etc.
Proceso: operación que conduce a un resultado determinado.
Sistema: consiste en un conjunto de elementos que actúan coordinadamente para
realizar un objetivo determinado.
ESIME – Zacatenco IPN
98 Ingeniería en Control y Automatización
Perturbación: es una señal que tiende a afectar la salida del sistema, desviándola del
valor deseado.
Sensor: es un dispositivo que convierte el valor de una magnitud física (presión, flujo,
temperatura, etc.) en una señal eléctrica codificada ya sea en forma analógica o digital.
También es llamado transductor. Los sensores, o transductores, analógicos envían, por
lo regular, señales normalizadas de 0 a 5 voltios, 0 a 10 voltios o 4 a 20 mA.
Sistema de control en lazo cerrado: es aquel en el cual continuamente se está
monitoreando la señal de salida para compararla con la señal de referencia y calcular la
señal de error, la cual a su vez es aplicada al controlador para generar la señal de control
y tratar de llevar la señal de salida al valor deseado. También es llamado control
realimentado.
Sistema de control en lazo abierto: en estos sistemas de control la señal de salida no
es monitoreada para generar una señal de control.
PID: (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación que
se utiliza en sistemas de control industriales. Un controlador PID corrige el error entre un
valor medido y el valor que se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción
correctora que puede ajustar al proceso acorde.
ESIME – Zacatenco IPN
99 Ingeniería en Control y Automatización
ANEXO A
AYUDA DE COMANDOS DEL PLC
XIC (EXAMINA SI ESTA CERRADO)
Descripción
Esta instrucción (también denominada "examina si On" o "normalmente abierto") funciona
como un bit de entrada o almacenamiento. Si el bit de memoria correspondiente es un "1"
(On), esta instrucción permitirá la continuidad del renglón y se activarán las salidas.
Nota Otros factores pueden afectar la continuidad del renglón.
Si el bit de memoria correspondiente es un "0" (off), esta instrucción no permitirá la
continuidad del renglón (asume su estado normalmente abierto) y las salidas en el renglón
serán desactivadas (otros factores pueden afectar la continuidad del renglón).
Si se usa como un bit de entrada, su estado debe corresponder al estado de los
dispositivos de entrada reales asociados con la tabla de imagen de entrada mediante las
direcciones idénticas.
Ayuda para direccionamiento
Ejemplo: I: 12/03
En la dirección del ejemplo, "I" indica la tabla de imagen de entrada; "12" representa la
ranura doce (decimal); después de la diagonal "/" el "03" indica el bit tres.
Nota La ranura 0 está reservada para el procesador.
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100 Ingeniería en Control y Automatización
XIO (EXAMINA SI ESTA ABIERTO)
Descripción
Esta instrucción (también denominada "examina si Off" o "normalmente cerrado") funciona
como un bit de entrada o almacenamiento. Si el bit de memoria correspondiente es un "1"
(on), esta instrucción no permitirá la continuidad del renglón y las salidas del renglón
serán desactivadas
Nota Otros factores podrían afectar la continuidad del renglón.
Si el bit de memoria correspondiente es un "0" (off), esta instrucción asume su estado
normal y permite la continuidad del renglón y las salidas del renglón serán activadas (De
nuevo, otros factores pueden afectar la continuidad del renglón).
Si se usa como un bit de entrada, su estado debe corresponder al estado de los
dispositivos de entrada reales asociados con la tabla de imagen de entrada mediante las
direcciones idénticas.
Ayuda para direccionamiento
Ejemplo: I: 12/03
En la dirección del ejemplo, "I" indica la tabla de imagen de entrada; "12" representa la
ranura doce (decimal); después de la diagonal "/" el "03" indica el bit tres.
Nota La ranura 0 está reservada para el procesador.
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101 Ingeniería en Control y Automatización
OTE (ACTIVACION DE UNA SALIDA)
Descripción
Esta instrucción establece el bit especificado cuando se alcanza la continuidad del renglón
(el renglón se hace verdadero). Bajo condiciones normales de operación, si el bit
establecido corresponde a un dispositivo de salida, el dispositivo de salida será activado
cuando el renglón se haga verdadero.
Si está usando un procesador 5/02, 5/03, 5/04, 5/05 o MicroLogix, puede usar direcciones
indexadas. Si está usando un procesador 5/03 OS302, un 5/04 OS401 o un 5/05, puede
usar direcciones indirectas.
Las direcciones de salidas se especifican a nivel de bits.
¡Advertencia! Nunca use una dirección de salida en más de un lugar en su programa
lógico. Siempre tenga presente la carga representada por la bobina de salida.
Ayuda para direccionamiento
En una dirección de salida, tal como O:4/03:
"O" indica la tabla de imagen de salida
"4" representa la ranura cuatro (decimal)
"03" representa el bit tres
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102 Ingeniería en Control y Automatización
RES (REESTABLECER)
Descripción
La instrucción RES se usa para restablecer temporizadores y contadores. Cuando las
condiciones que le preceden en el renglón son verdaderas, la instrucción RES restablece
el valor acumulado y los bits de control del temporizador o contador. Asegúrese de que el
temporizador o contador que está siendo controlado por la instrucción Restablecer tenga
la misma dirección que la instrucción Restablecer. Por ejemplo, si la dirección RTO es
T4:1, la dirección RES también debe ser T4:1.
Cuando se restablece un contador, si la instrucción RES y el renglón del contador están
habilitados, se restablece el bit CU o CD.
Si el valor preseleccionado del contador es negativo, la instrucción RES establece el valor
acumulado en cero. Esto hace que el bit de efectuado sea establecido por una instrucción
contador ascendente o descendente.
¡Advertencia! No use la instrucción RES para restablecer una instrucción TOF. Una
instrucción RES siempre restablece los bits de estado y el valor acumulado. Esto podría
resultar en una operación impredecible de la máquina o lesiones al personal.
CTU (CONTADOR POSITIVO)
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103 Ingeniería en Control y Automatización
Descripción
Esta instrucción de salida cuenta progresivamente cada transición de falso a verdadero de
las condiciones que la preceden en el renglón y produce una salida cuando el valor
acumulado llega al valor preseleccionado. Las transiciones del renglón pueden
accionarse mediante un final de carrera o mediante partes que pasan por un detector.
La capacidad del contador para detectar las transiciones de falso a verdadero depende de
la velocidad (frecuencia) de la señal de entrada. La duración de activa e inactiva de la
señal de entrada no debe ser más rápida que el tiempo de escán.
Cada conteo se retiene cuando las condiciones del renglón vuelven a ser falsas,
permitiendo que el conteo continúe más allá del valor preseleccionado. De esta manera
usted puede basar una salida en el valor preseleccionado pero continuar contando para
mantener inventario/piezas, etc.
Nota Use una instrucción RES (restablecer) con la misma dirección del contador u otra
instrucción del programa para sobrescribir el valor. El estado On u Off de los bits de
efectuado, overflow y underflow del contador es retentivo. El valor acumulado y los bits
de control se restablecen cuando se habilita una instrucción RES.
Los archivos de contador usan tres palabras por elemento.
Bits de la instrucción: 12 = Bit OV (overflow de conteo progresivo)
13 = Bit DN (efectuado)
15 = Bit CU (habilitación conteo progresivo)
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104 Ingeniería en Control y Automatización
Los bits CU siempre se establecen antes de pasar al modo Marcha remota o Prueba
remota.
Introducción de parámetros
Introduzca una dirección CONTADOR, valor PRESELECCIONADO y un valor ACUM. El
valor preseleccionado es el punto que tiene que alcanzarse para establecer el bit DN
(efectuado). El valor acumulado representa el estado actual de conteo.
TON (TEMPORIZADOR A LA CONEXIÓN)
Descripción
Utilice la instrucción TON para activar o desactivar una salida después que el
temporizador ha estado activo durante un intervalo de tiempo preseleccionado. Esta
instrucción de salida comienza la temporización (a intervalos de un segundo o de una
centésima de segundo) cuando el renglón es "verdadero." Espera la cantidad de tiempo
especificado (según lo establecido en PRESEL), mantiene control de los intervalos
acumulados que ocurrieron (ACUM) y establece el bit DN (terminado) cuando el tiempo
ACUM (acumulado) es igual al tiempo PRESEL.
Mientas las condiciones del renglón permanecen verdaderas, el temporizador ajusta el
valor acumulado (ACUM) en cada evaluación hasta que alcanza el valor preseleccionado
(PRESEL). El valor acumulado se restablece cuando las condiciones del renglón pasan a
ser falsas, sin importar si el temporizador ha sobrepasado el tiempo de espera.
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105 Ingeniería en Control y Automatización
Bits de la instrucción: 13 = DN (efectuado)
14 = TT (bit de temporización del temporizador)
15 = EN (bit de habilitación)
Si se pierde la alimentación eléctrica mientras una instrucción TON está temporizando
pero no ha alcanzado su valor preseleccionado, los bits EN y TT permanecen
establecidos y el valor acumulado (ACUM) permanece igual. Esto también es cierto si el
procesador cambia del modo Marcha remota o Prueba remota al modo Programa remoto.
Nota Si el renglón se hace "falso" (pierde continuidad lógica) durante el proceso de
temporización, se restablece el valor acumulado y se restablecen los bits DN, EN y TT
independientemente de si el temporizador llegó al valor PRESEL.
¡Advertencia! La temporización podría ser inexacta si las instrucciones JMP, LBL,
JSR, o SBR se saltan el renglón que contiene una instrucción de temporización mientras
el temporizador está temporizando.
Ayuda para direccionamiento
Introduzca una dirección de TEMPORIZADOR, BASE DE TIEMPO, valor
PRESELECCIONADO y valor ACUM (acumulado). Los archivos de temporizador usan
tres palabras por elemento, una para los bits de la instrucción (la palabra de control), una
para el valor preseleccionado y una para el acumulador.
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106 Ingeniería en Control y Automatización
EQU (IGUAL)
Descripción
Esta instrucción de entrada es verdadera cuando el origen A = Origen B.
La instrucción EQU compara dos valores especificados por el usuario. Si los valores son
iguales, permite continuidad del renglón. El renglón se hace verdadero y la salida es
activada (siempre y cuando nada más afecte el estado del renglón).
Introducción de parámetros
Usted debe introducir una dirección de palabra para el origen A. Puede introducir una
constante de programa o una dirección de palabra para el origen B. Los enteros
negativos se almacenan en forma de complemento a dos.
Si está usando un procesador 5/02, 5/03, 5/04, 5/05 o MicroLogix, puede usar direcciones
indexadas para los parámetros del origen A o el origen B. Si está usando un procesador
5/03 OS302, un 5/04 OS401 o un 5/05, puede usar direcciones indirectas para los
parámetros del origen A y el origen B.
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107 Ingeniería en Control y Automatización
SCP (ESCALAR CON PARAMETROS)
Descripción
Esta instrucción de salida consta de seis parámetros. Los parámetros pueden ser valores
enteros, de punto (coma) flotante o valores de datos inmediatos o direcciones que
contengan valores. El valor de entrada es escalado a un rango determinado mediante la
creación de una relación lineal entre los valores de entrada mín. y máx. y valores de
escalado mín. y máx. El resultado escalado es retornado a la dirección indicada por el
parámetro de salida.
Puede usar direcciones indexadas o indirectas.
Los archivos de datos tipo MG (mensaje) y PID están disponibles para direccionar
indirectamente los parámetros cuando se usa el controlador MicroLogix 1200 ó 1500.
Introducción de parámetros
Entrada - Introduzca un valor a ser escalado. Puede ser una dirección de palabra o una
dirección de un elemento de datos en punto (coma) flotante.
Entrada mín - Introduzca un valor mínimo para la entrada (valor bajo del rango). Este
valor puede ser una dirección de palabra, una dirección larga (palabra doble), una
ESIME – Zacatenco IPN
108 Ingeniería en Control y Automatización
constante entera, un elemento de datos en punto (coma) flotante o una constante en
punto (coma) flotante.
Entrada máx - Introduzca un valor máximo para la entrada (valor alto del rango). Este
valor puede ser una dirección de palabra, una dirección larga (palabra doble), una
constante entera, un elemento de datos en punto (coma) flotante o una constante en
punto (coma) flotante.
Escalado mín - Introduzca el valor de escalado mínimo que represente el valor bajo del
rango al que usted desea escalar la entrada. La relación de escalado es lineal. El valor
puede ser una dirección de palabra, una dirección larga (palabra doble), una constante
entera, un elemento de datos en punto (coma) flotante o una constante en punto (coma)
flotante.
Escalado Máx - Introduzca el valor de escalado máximo que represente el valor alto del
rango al que usted desea escalar la entrada. La relación de escalado es lineal. El valor
puede ser una dirección de palabra, una dirección larga (palabra doble), una constante
entera, un elemento de datos en punto (coma) flotante o una constante en punto (coma)
flotante.
Salida - Introduzca una dirección para el valor escalado que retorna después de que la
instrucción es ejecutada. Este valor puede ser una dirección de palabra, una dirección
larga (palabra doble), o una dirección de un elemento de datos en punto (coma) flotante.
Si se encuentran tipos de archivo de punto (coma) flotante o constantes de punto (coma
flotante en los parámetros anteriores, entonces la instrucción completa se trata como de
punto (coma) flotante y todos los valores de datos enteros inmediatos se convierten a
valores de datos de punto (coma) flotante inmediatos.
Nota La entrada mínima, la entrada máxima, el escalado mínimo y el escalado máximo
se usan para determinar los valores de pendiente y de offset. El valor de entrada puede
salir de los límites de entrada especificados y no es necesario un ordenamiento. Por
ejemplo, el valor de salida escalado no estará necesariamente fijado entre los valores de
escalado mínimo y escalado máximo.
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109 Ingeniería en Control y Automatización
Verificación de valores
Un valor de entrada de punto flotante (coma) no válido retorna No es un Número y se
establece el bit de overflow.
Si la salida escalada mín es igual a la salida escalada máx, la salida escalada es
forzada a la salida escalada mín.
Si la entrada, la entrada mín y la entrada máx son iguales, la salida es forzada al
valor de la salida escalada mín.
Si la entrada mín es mayor que la entrada máx, la salida escalada es forzada al
valor de la salida escalada mín.
Si el escalado mín es mayor que el escalado máx, la salida es forzada al valor de la
salida escalada mín.
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110 Ingeniería en Control y Automatización
CONTROL DE LAZO CERRADO PID (PROPORCIONAL/INTEGRAL/DERIVADA)
Descripción
Esta instrucción de salida se usa para controlar propiedades físicas tales como
temperatura, presión, nivel de líquido o velocidad de flujo de los ciclos del proceso.
La instrucción PID normalmente controla un lazo cerrado usando entradas desde un
módulo de entradas analógicas y proporcionando una salida a un módulo de salidas
analógicas como una respuesta para retener efectivamente una variable del proceso en
un punto de referencia determinado.
La ecuación PID controla el proceso enviando una señal de salida al accionador. Cuanto
mayor es el error entre el punto de referencia y la entrada de la variable del proceso,
mayor es la señal de salida y viceversa. Se puede añadir un valor adicional (alimentación
anticipada o polarización) a la salida de control como un offset. El resultado del cálculo
PID (variable de control) dirigirá a la variable del proceso que usted está controlando
hacia el punto de referencia.
La instrucción PID se puede utilizar en modo temporal o modo STI. En modo temporal, la
instrucción actualiza su salida periódicamente con una frecuencia que el usuario puede
seleccionar. En modo STI, la instrucción debe ser colocada en una subrutina de
ESIME – Zacatenco IPN
111 Ingeniería en Control y Automatización
interrupción STI. Entonces, actualiza su salida cada vez que hay un escán de la subrutina
STI. El intervalo de tiempo de STI y la frecuencia de actualización del lazo PID deben ser
iguales para que la ecuación se ejecute correctamente.
Introducción de parámetros
Archivo PID - (MicroLogix 1200 y 1500 solamente) Especifique un Archivo PID. Si aún
no ha definido un archivo tipo PD entre sus archivos de datos, se creará uno
automáticamente. La longitud del archivo está fijada en 23 palabras. El archivo PD
reemplaza el bloque de control del archivo de enteros anterior.
Longitud del bloque de control – (No es válido con el MicroLogix 1200 y 1500)
Especifique un archivo entero, por ejemplo N7:0. La longitud del archivo está fijada en 23
palabras.
Variable del proceso PV - La dirección del elemento que almacena el valor de entrada
del proceso. Esta dirección puede ser la ubicación de la palabra de entrada analógica
donde se almacena el valor de la entrada A/D. También puede introducir una dirección
entera si decide preescalar el valor de la entrada en el rango 0-16383.
Variable de control CV - La dirección del elemento que almacena la salida de la
instrucción PID. El valor de salida tiene un rango de 0-16383, siendo 16383 el valor 100%
"ON" (activado). Normalmente ésta es una dirección de enteros, para poder escalar el
rango de salida PID al rango analógico particular que requiera su aplicación.
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112 Ingeniería en Control y Automatización
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113 Ingeniería en Control y Automatización
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114 Ingeniería en Control y Automatización
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115 Ingeniería en Control y Automatización
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