MAQUETA INDUSTRIAL PARA CONTROL DE 4 VARIABLES CON FINES DOCENTES Y DE INVESTIGACION M. Domínguez, J.J. Fuertes, P. Reguera, J. J. González, J.M. Ramón Instituto de Automática y Fabricación. Área: Automática y Control. Escuela de Ingenierías Industrial e Informática, Campus Universitario de Vegazana, Universidad de León. 24071 León, España. Fax: +34-987-291790. e-mail: {diemdg, diejfu, diepra, diejgp }@unileon.es

Resumen

imágenes y sonidos y tendiendo hacia la denominada realidad virtual.

El Área de Automática del Instituto de Automática y Fabricación de la Universidad de León viene desarrollando maquetas industriales de procesos de propósito general para fines didácticos y de investigación. La finalidad de estas instalaciones es poder realizar en ellas secuencias de operación, parametrización y calibración de instrumentos así como ensayos de estrategias de automatización y control como soporte empírico para la realización de prácticas y experimentos de forma local y remota.

La expansión del mundo de las comunicaciones y de las tecnologías de la Información ha puesto al servicio de todas las personas la posibilidad de recurrir al uso de INTERNET para su utilización como una herramienta en la que se tiene una gran cantidad de información de forma muy fácil y cómoda, pero con pocas posibilidades, por el momento, de interactuar sobre equipos industriales, maquinas, instalaciones, etc.[1][2][3][4]

Palabras Clave: Lazos de control, maqueta industrial, PLC, DCS, SCADA, instrumentación inteligente HART, supervisión remota, laboratorio remoto.

1

INTRODUCCIÓN

La enseñanza de disciplinas de carácter tecnológico, especialmente en los estudios de Ingeniería Industrial, une a su consabido grado de dificultad la necesidad de estudiar equipos e instalaciones industriales complejos, siendo necesario utilizar para ello equipamientos muy costosos que en muchas ocasiones no están disponibles. Tradicionalmente se ha recurrido al uso de equipos reducidos a pequeña escala que dan una aproximación a la realidad. Con el desarrollo y abaratamiento de los sistemas informáticos, se ha abierto un camino muy importante para la docencia mediante la utilización de programas informáticos que permiten la simulación de circuitos y sistemas. Estos simuladores facilitan mucho la labor, ya que, con un coste mas reducido, se puede disponer de un mayor número de puestos de laboratorio para los alumnos, pero no dan una idea de realidad completa cuando se trata de manejar tecnologías industriales a las que se enfrentaran el día de mañana. Con la aparición de los sistemas multimedia, los programas de simulación han evolucionado considerablemente, mejorando los entornos gráficos, incorporando

El proyecto que aquí se presenta ha partido de la necesidad de facilitar el acceso a las personas (profesores, alumnos, trabajadores, profesionales, etc.) de la forma mas fácil y flexible, sin restricciones de horarios, a instalaciones reales, complejas, costosas y en las que se pueda “interactuar sobre ellas de forma real y no simulada”.

2

OBJETIVOS

Los objetivos de este trabajo se centran en dos aspectos generales, de una parte el diseño y desarrollo de una maqueta que permita realizar procesos industriales manejando 4 variables: presión, temperatura, caudal y nivel. De otra parte facilitar su operación y manejo de forma remota mediante el uso de Internet. El diseño de la maqueta se ha realizado en base a los siguientes objetivos: •

Portabilidad: Las maquetas son autónomas sobre un panel dotado de ruedas, todos los elementos son eléctricos y únicamente demandan una toma de agua de proceso y un desagüe.

•

Flexibilidad en el control: El diseño contempla la posibilidad de ser controladas mediante PLC, DCS o SCADA.

•

•

problemas resueltos y resolver problemas propuestos.

Acceso remoto: El control mediante DCS incluye un Web server que permite la realización de experiencias remotas desde Internet. Para ello se les ha dotado de los enclavamientos cableados que permiten una operación remota segura. Amplio espectro de operación: las maquetas se pueden configurar para establecer experiencias de control básico o control avanzado multivariable debido a las interacciones que se pueden establecer entre los diferentes lazos de regulación. También se contempla la operación en batch de la planta mediante aplicaciones específicas.

•

Garantizar una velocidad de acceso alta y una completa deslocalización entre el sistema físico y el gestor de la aplicación.

3

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

En el esquema funcional de proceso representado en la Fig. 2, se pueden observar los circuitos principales y la instrumentación asociada a la maqueta: •

Circuito de proceso que incluye los lazos de presión, caudal, temperatura y nivel.

•

Circuito de agua caliente: incluye los elementos necesarios para la generación de agua caliente.

•

Circuito de enfriamiento de agua: para el enfriamiento del circuito de proceso. LSL 21

AGUA make-up

LSH 21

D02

AGUA make-up

TIC 21

TV 22

Entrada AGUA

V05

JZ 21

AGUA refrig.

AGUA refrig.

D01

TT 23

V01

FY 21

TSH 21

Figura 1: Foto de la maqueta Entre los requisitos que se fijaron para llevar a buen puerto la conexión de la maqueta a Internet, cabe destacar: •

•

• •

Realizar todo el diseño al mínimo coste posible, reutilizando todos los programas que sean necesarios y utilizando versiones freeware de aquellas herramientas nuevas que sean necesarias. Optimizar la disponibilidad y utilización del sistema físico garantizando un servicio de 24h diarias los 365 días del año para que la maqueta sea utilizada de forma eficiente. Permitir la comparación entre el sistema real y un modelo simulado del mismo. Permitir llevar un control no sólo del perfecto funcionamiento del sistema, sino también del trabajo realizado por los usuarios, gestionar los datos generados y, en definitiva, proporcionar una aplicación a la que los usuarios puedan acceder no sólo para ejecutar experimentos, sino también para guardar históricos, leer tutoriales y documentación adicional, observar

TV 21

LT 21

TIC 22 AGUA refrig.

TT 21

P01

Circuito de agua de refrigeración

Circuito de agua caliente

D03 LIC 21

TT 22

V02

Circuito de proceso

FIC 21 FV 21

FT 21

FY 22

I02

I01

PT 21

PIC 21 SZ 21

AGUA make-up

LSH 22

V03

D04 LSL 22

P02

I/O

V04

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS MAQUETAS Fast Ethernet

CUATRO VARIABLES (Caudal, presión, nivel y temperatura) INSTRUMENTACIÓN INTELIGENTE ANALÓGICA SISTEMA CONTROL ABIERTO CON WEB SERVER RED DE ADQUISICIÓN/CONTROL ETHERNET 100-Base Tx TCP/IP

Figura 2: Diagrama funcional y de proceso Las variables que se pueden manejar en la maqueta por lo tanto son las indicadas en la tabla siguiente: TIPO

SEÑAL

RANGO

E/S

TT21

TAG

TRANSMISOR DE Tª AGUA CALIENTE

ANALÓGICA

-20...20 mA

-150º - 100ªC

ENTRADA

TT23

TRANSMISOR Tª AGUA FRIA

ANALÓGICA

-20...20 mA

-150º - 100ªC

ENTRADA

TT22

TRANSMISOR TEMPERATURA PROCESO

ANALÓGICA

-20...20 mA

-20 - 20

ENTRADA

LT21

TRANSMISOR NIVEL DEPÓSITO D03

ANALÓGICA

-20...20 mA

-20 - 20

ENTRADA

FT21

TRANSMISOR DE CAUDAL DE PROCESO

ANALÓGICA

-20...20 mA

-20 - 20

ENTRADA

PT21

TRANSMISOR DE PRESIÓN DE PROCESO

ANALÓGICA

-20...20 mA

-20 - 20

ENTRADA

JZ21

CONTROLADOR DE POTENCIA

ANALÓGICA

4...20 mA

0 – 100%

SALIDA

TV22

VÁLVULA TEMPERATURA AGUA FRIA

ANALÓGICA

4...20 mA

0 – 100%

SALIDA

FV21

VÁLVULA CAUDAL DE PROCESO

ANALÓGICA

4...20 mA

0 – 100%

SALIDA

SZ21

DECRIPCIÓN

CONVERTIDOR BOMBA PROCESO

ANALÓGICA

4...20 mA

0 – 100%

TV21

VÁLVULA DE 3 VÍAS AGUA CALIENTE

ANALÓGICA

4...20 mA

0 – 100%

LSH21

INTERRUPTOR NIVEL ALTO DEPÓSITO D02

DIGITAL

10 voltios

SALIDA

LSL21

INTERRUPTOR NIVEL BAJO DEPÓSITO D02

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA

LSH22

INTERRUPTOR NIVEL ALTO DEPÓSITO D04

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA

LSL22

INTERRUPTOR NIVEL BAJO DEPÓSITO D04

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA

TSH22

INTERRUPTOR DE TEMPERATURA

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA

SALIDA ENTRADA

P22

BOMBA CENTRÍFUGA DE PRODUCTO

DIGITAL

10 voltios

SALIDA

P21

BOMBA AGUA CALIENTE

DIGITAL

10 voltios

SALIDA

FY22

ELECTROVÁLVULA

DIGITAL

10 voltios

SALIDA

Figura 3: Variables manejadas en la maqueta

Además de estas variables, se incorporan otras que son consecuencia de ellas y que se refieren a las acciones que se toman y sus confirmaciones, siendo necesarias para garantizar el perfecto funcionamiento de los actuadores. Su relación se detalla a continuación: TAG

DESCRIPCIÓN

TIPO

SEÑAL

E/S

ES21

ALTA TEMPERATURA REACTOR

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA ENTRADA

ES22

FALLO BOMBA AGUA P01

DIGITAL

10 voltios

ES23

FALLO VARIADOR BOMBA P02

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA

ES24

FALLO RESISTENCIAS

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA

ES25

CONFIRMACIÓN MARCHA BOMBA P01

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA

ES26

CONFIRMACIÓN MARCHA BOMBA P02

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA

ES27

CONFIRMACIÓN MARCHA RESISTENCIAS

DIGITAL

10 voltios

ENTRADA

4

Los lazos de control disponibles para la realización de experiencias son los siguientes: •

LAZO DE CONTROL DE PRESIÓN: Medida: Transmisor de Presión inteligente 420mA+HART. Salida: Accionamiento a convertidor de frecuencia vectorial sobre bomba centrífuga. Algoritmo de regulación básico PID. Se establecen tres modos de operación: MANUAL, AUTO y REMOTO. La variable a indicar/ registrar es Barg.

•

LAZO DE CONTROL DE CAUDAL: Medida: Transmisor de caudal electromagnético inteligente 4- 20mA+HART. Salida: Válvula de control eléctrica 2 vías con posicionador. Algoritmo de regulación básico PID. Se establecen tres modos de operación: MANUAL, AUTO y REMOTO. La variable a indicar/ registrar es l/h.

•

LAZO DE CONTROL DE NIVEL: Medida: Transmisor de nivel ultrasónico inteligente 420mA+HART. Salida: electroválvula 2 vías. Algoritmo de regulación básico PID. Se establecen tres modos de operación: MANUAL, AUTO y REMOTO. La variable a indicar/registrar es %.

•

LAZO DE CONTROL DE TEMPERATURA DE PROCESO: Medida: Transmisor de Tª inteligente 4- 20mA+HART sobre sonda PT100. Salida: en rango partido sobre dos válvulas de control eléctricas de 2/3 vías con posicionador. Algoritmo de regulación básico PID. Se establecen tres modos de operación: MANUAL, AUTO y REMOTO. La variable a indicar/registrar es ºC.

•

LAZO DE CONTROL DE TEMPERATURA DE AGUA CALIENTE: Medida: Transmisor de Tª inteligente 4- 20mA+HART sobre sonda PT100. Salida: Accionamiento variable estático sobre resistencia calefactora. Algoritmo de regulación básico PID. Se establecen tres modos de operación: MANUAL, AUTO y REMOTO. La variable a indicar/registrar es ºC.

Figura 4: Variables adicionales; confirmación y fallo Para designar y representar los diferentes elementos de que consta la planta, se han adoptado las normas de la Sociedad Americana de Instrumentación (ISA), concretamente la Norma ISA-S5.1-84, que es prácticamente un estándar de facto en las industrias y que además facilita la asignación de códigos y la simbología para los accionamientos, instrumentos de medida y control, y sistemas auxiliares, obteniéndose una etiqueta identificadora denominada TAG, que consta de dos partes, la primera formada por letras, en mayúsculas y hasta un numero de 4, que identifica la funcionalidad; la segunda parte, formada por números, identifica el sistema, circuito o bucle donde se ubica el elemento. Para la representación de las variables de la planta se ha seguido la siguiente codificación: 1ª letra

Letras sucesivas

Variable medida

Función de lectura

F = Caudal L = Nivel T = Temperatura

Función de salida

E = Elemento primario

C = Control T = Transmisor V = Válvula

P = Presión

LT01

Figura 5: Codificación para las variables

AGUA REFRIG.

45

TV 22

V01

V05

L

D02

LSH21

TT 23

L

65

T

I02

LSL21 JZ21

TSH21

TV 21

TT 22

D03

140

I01

D01

DN32 DN25

21 TT

FV 21

V03

P01

L

LSH22

D04

P02 FY22

V02

PT01 Desague

FT01 V04

Figura 6: Esquema constructivo

L

LSL22

FUNCIONALIDAD. LAZOS DE CONTROL

del sistema real y desde la que se pueda acceder al mismo. El tiempo de desarrollo con este estándar es mínimo.[8]

LIC 21 TIC 22

FIC 21

PIC 21

Figura 7: Lazos de control Como ya se ha comentado, la maqueta es flexible en cuanto a su sistema de conexión: Se puede conectar a diferentes sistemas de adquisición de datos y control; Controladores Lógicos Programables (PLC), Sistema de Control Distribuido (DCS), tarjetas de adquisición y PC.

5

CONEXIÓN REMOTA

Para la realización de las pruebas de rendimiento de conexión remota, se ha implementado una estructura de triple capa con una capa servidor formada por el sistema físico destrito, una capa intermedia constituida por una base de datos (SQL Server 2000) y una capa cliente basada en applets de JAVA o programas comerciales como Matlab que implementan un interface remoto de control y parametrización de estrategias y posibilitan una actuación y visualización de operaciones en tiempo real. [5][6][7].

Figura 8: Cliente. Applet de la maqueta Para acceder al sistema físico, se está utilizando un controlador Opto22 de la familia Mistic que presenta la posibilidad de utilizar XML como origen de datos del proceso real. La principal ventaja que XML ofrece es que se pueden portar los datos a cualquier otra aplicación (realmente es el principal estándar que existe hoy en día): se pueden leer datos formateados en XML desde Excel, Access, Java,..., y además, desde el propio XML se puede generar, por ejemplo, una página HTML que presente los datos

La razón de utilizar Opto22 es que implementa la tecnología que permite conectarse al controlador a través del protocolo estándar TCP/IP, con lo que se evita tener que utilizar productos propietarios de alto coste y, además, este controlador es altamente configurable, con lo que su adecuación a cualquier tipo de proceso es inmediata. Cuando un sistema físico se conecta a Internet, es prioritario realizar una adecuada gestión de usuarios. Sólo un usuario debe poder acceder al sistema físico al mismo tiempo. Para ello se opta por utilizar un elemento intermedio (un PC) que permita implementar una política de acceso al sistema y que, por tanto, racionalice el uso del mismo. El PC intermedio presenta dos servicios instalados: Web y un sistema gestor de base de datos. El servicio Web se utiliza para albergar dos sitios Web: uno para habilitar el acceso de los usuarios al sistema físico, simulaciones y datos históricos del experimento y otro orientado a la administración (se utiliza el protocolo SSL para todas sus transacciones), vía Web, de la funcionalidad del primero. El sistema gestor de base de datos se utiliza tanto para llevar un control de acceso al sistema físico, como un histórico de la operativa de los usuarios que, en todo momento, puede ser consultado La operativa básica es la siguiente: •

Cuando un usuario desea acceder al sistema, se le solicita un identificador y una contraseña (se utiliza SSL para garantizar una mínima seguridad en el acceso).

•

Una vez dentro del sistema la interfaz Web que se presenta al usuario es diferente dependiendo sus privilegios (vienen indicados en el sistema gestor de base de datos en función del tipo de usuario: docente, becario, alumno, doctorando, visitante,...), aunque, la interfaz básica consta de tres zonas; una donde el usuario puede consultar los datos de experimentos ya realizados con el sistema por él mismo o descargar esos datos para realizar estudios de cualquier tipo; otra donde puede realizar una simulación del experimento real y una última donde se puede actuar directamente sobre el sistema real.

La seguridad y confiabilidad del sistema se intenta que sea máxima, para ello, se ha utilizado tanto seguridad en el acceso a través del interfaz web por

medio de SSL (el sitio web de administración utiliza este protocolo en todas sus transacciones y el sitio web de los usuarios, sólo en la validación del usuario), seguridad física en la maqueta en el sentido de que existen unos límites físicos para todos los valores controlables y una seguridad software en el sentido de que sólo se permite la variación de las variables dentro de un determinado rango. La tecnología software que se ha utilizado para implementar el sistema persigue los objetivos de generar una aplicación “ligera” (páginas inferiores a 70k) para que la carga con cualquier navegador sea lo más rápida posible, lo que ha llevado a utilizar una arquitectura applet-servlet para los interfaces interactivos y JSP y ASP para la generación dinámica de páginas web en respuesta a las consultas planteadas por los usuarios al sistema gestor de base de datos y evitando en todo lo posible el uso de flash o tecnologías similares.[9] También se ha perseguido el mínimo coste posible, por lo que se utilizan versiones de productos freeware o de productos comerciales de los que ya se disponía: Windows 2000 Server, IIS 5.0, ASP, motor de ejecución de servlets, JDK 1.4 y editores de texto como herramientas de desarrollo.

6

CONCLUSIONES

En la presente comunicación, se ha presentado una maqueta industriales de control de procesos que ha sido desarrollada por el AAC (Área de Automática y Control) del I.A.F. (Instituto de Automática y Fabricación) de la Universidad de León para facilitar a los alumnos las compresión de sistemas multivariables relacionados con el área de control de procesos.

infraestructura flexible, en la que se puedan incorporar (conectar) a través de Internet equipos industriales que no tienen que estar físicamente ubicados en el mismo lugar, ni incluso en la propia Universidad y abriendo la posibilidad a la incorporación de equipos reales que estén operando en las industrias. Estamos, pues llevando la flexibilidad del uso de Internet a su más amplia expresión, poniendo a disposición de los usuarios autorizados lo que denominamos: “LABORATORIO REMOTO y DISTRIBUIDO VIA INTERNET.” aplicado a la enseñanza de la Automática pero que puede ser aplicado a otras muchas disciplinas. Referencias [1] Antsaklis, P., Basar,T., De Carlo, R. Report on the NSF/CSS Workshop on New Directions in Control Engineering Education. IEEE Control Systems Magazine. Nº 19. 1999 [2] Schmid, C. A remote laboratory experimentation network. EIWISA’01. MADRID 2001. [3] Ramos, C., Herrero, J., Martínez, M., Blasco, X. Internet en el desarrollo de prácticas no presenciales con procesos industriales. EIWISA’01. Madrid 2001 [4] Meléndez, J., Colomer, J., Rosa de la, J. Fabregat, R., Macaya, D. Experiencias en teleoperación de procesos y telenseñanza en la Universitat de Girona. EIWISA’01. Madrid 2001. [5] Domínguez, M., Marcos, D., Reguera, P., González, J.J., Blazquez, L.F., Connection Pilot Plant to the Internet”, IFAC Internet Based Control Education. IBCE01, Madrid. España. 2001

Se expone además una forma de implementar, un control, on-line, de un sistema físico de forma remota que permite racionalizar el uso del mismo evitando colas innecesarias y permitiendo la compartición de recursos entre distintos centros.

[6] Domínguez, M., Alonso A., Reguera, P., González, J.J.,Fuertes J.J.., Optimización de tiempos en el acceso remoto vía Internet a planta piloto para prácticas. EIWISA´02. Alicante. España. 2002.

Se utiliza una arquitectura cliente/servidor de tres capas que permite introducir en la capa intermedia cualquier otra tecnología de acceso distinta.

[7] Codd, E.F. A relational model of data for large shared data bank. IBM Research Lab. ACM Press. New York. 1970

Así mismo, se expone el esquema general de la arquitectura del sistema en el que únicamente se utiliza TCP/IP como protocolo de comunicaciones, con lo que no se comparten los recursos en Internet, sino que los recursos forman parte de Internet sin tener que utilizar protocolos o tecnologías propietarias.

[8] Opto22 HomePage http://www.opto22.com

En definitiva lo que se pretende es abrir un camino, no existente en la Universidad de León, creando una

[9] Java Sun HomePage http://java.sun.com/