Instrumentación II

Informe de Prácticas

Por

Arismendi Daniel

Arroyo Jiang

Condor Claudio

Fernández Breytner

Ortega Heyzel

Profesor: Mario Spinetti

Febrero 2015

Informe Práctica VI

Sistema HMI para el Control ON/OFF de un Sistema

Tanque a Tanque

Resumen: Se diseña e implementa un sistema HMI para supervisar y controlar de

manera ON/OFF un sistema de tanques. Dadas las limitaciones de los equipos en el

laboratorio, el HMI no se conecta directamente al sistema real sino a una rutina de

MATLAB que proporciona la dinámica del mismo a través de un modelo.

Palabras Clave: Instrumentación, control on-off, HMI, sistema, tanque.

Capítulo 1Introducción

1.1 Descripción del Sistema

El sistema real está compuesto por dos tanques conectados a través de una tubería

como se muestra en la figura 1.1. Una bomba carga el líquido, que en este caso es agua,

desde el tanque inferior N° 3 hasta el tanque superior N° 1. El tanque superior tiene

un orificio por el que fluye el líquido, a través de una tubería, de vuelta al tanque

inferior. La tubería de carga tiene una válvula de solenoide que se activa o desactiva

al recibir un voltaje de 5 V en su entrada. Un relé envía esta señal y controla el nivel

del tanque superior entre un mínimo y un máximo.

Se desea conectar este sistema a un HMI (Human-Machine Interface, Interfaz

Hombre-Máquina) con el propósito de realizar acciones de control y supervisar el

sistema de forma remota. Las acciones de control permitidas son el encendido y

apagado de la bomba, el encendido y apagado manual de la servoválvula, el encendido

y apagado del relé de control, y el establecimiento del mínimo y máximo del tanque

superior.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General

Implementar una Interfaz Hombre-Máquina (HMI, por sus siglas en inglés) para la

supervisión y control ON/OFF a un sistema tanque-tanque para mantener el nivel

entre un valor mínimo y otro máximo.

Figura 1.1: Diagrama de la Planta

1.2.2 Objetivos Específicos

Diseñar la Interfaz Hombre-Máquina.

Diseñar e implementar un programa Matlab© que simule la dinámica del

sistema.

Interconectar la Interfaz Hombre-Máquina con el programa de Matlab©.

Capítulo 2Marco Teórico

2.1 Sobre los Sistemas Hombre-Máquina (HMI)

Un sistema HMI (Human-Machine Interface, Interfaz Hombre-Máquina) es un sistema

informático que permita ejecutar acciones de supervisión y control de dispositivos de

campo y variables de proceso de forma remota a través del uso de un computador y

redes de comunicación industriales.

Existen diferentes programas propietarios y de software libre que pueden utilizarse,

con grado variable de robustez, buen diseño y facilidad de empleo.

Uno de dichos programas es el Lookout© de National Instruments, que se ejectua

sobre el sistema operativo Windows© de Microsoft, y que tiene como aplicaciones

usuales el monitoreo y control supervisorio de procesos continuos, procesos de

manufactura discreta, procesos tipo batch y sistemas de telemetría remota.

2.2 Especificaciones del Sistema HMI y de la simulación MatlabEl sistema de software debe tener las siguientes características:

Mostrar una imagen de la planta y la disposición relativa de los diversos elementos que la constituyen.

Mostrar el nivel de los tanques superior e inferior en tiempo real. Mostrar en tiempo real el estado, encendido o apagado, de la

bomba mostrando su color en rojo o gris respectivamente. Mostrar en tiempo real el estado, encendido o apagado, de la

válvula de solenoide mostrando su color en rojo o gris respectivamente.

Mostrar en tiempo real el estado, encendido o apagado, del relé controlador a través de una luz piloto indicadora.

Proporcionar perillas para el ajuste de los niveles mínimo y máximo entre los que se desea controlar la altura del líquido en el tanque superior.

Proporcionar interruptores para el encendido y apagado de la bomba, el relé y la válvula de solenoide.

Mostrar un gráfico histórico de las siguientes señales: nivel en el tanque superior, estado de la bomba, estado del relé, estado de la válvula de solenoide.

La simulación Matlab debe, por su parte, proporcionar la evolución del nivel del tanque de acuerdo a las características del sistema real, utilizando las ecuaciones matemáticas modeladas en la práctica 1; y respetando el orden de prioridad entre el estado de la bomba, el relé controlador y la válvula de solenoide; y su influjo sobre la evolución temporal del sistema.

Capítulo 3Implementación Práctica

3.1 Implementación del Sistema HMI

Haciendo uso de las herramientas de diseño gráfico de la herramienta Lookout© se

logró crear la interfaz que se muestra en la figura 3.1.

En la parte izquierda, sobre un fondo naranja, se muestra los niveles de los tanques

inferior y superior en pulgadas.

En el medio, sobre un fondo blanco, se observa la planta completa, y resaltado, el

camino que sigue el líquido en su recorrido desde el tanque inferior hasta el superior,

impulsado por una bomba. Se identifica la bomba PUMP-1, la válvula de solenoide SV-

1 y el relé RELAY en letras blancas sobre fondo azul. Se observa el color rojo de la

bomba y la válvula de solenoide, indicando su estado encendido. Además, se observa la

evolución de los niveles en los tanques, por medio del líquido color azul que sube y

baja en la figura mostrada en correspondencia a lo que sucede en el sistema real.

La parte izquierda se compone de dos áreas. La primera, el tablero de control donde

hay interruptores y luces piloto indicadoras, para el encendido y apagado manual de

la bomba, la servoválvula y el relé; además de dos perillas que permiten establecer el

nivel mínimo y máximo para el control automático realizado por el relé. La segunda

área, muestra un histograma de señales: en color rojo, la altura del tanque superior;

en azul,

Figura 3.1. Interfaz Gráfica para el sistema HMI de control ON/OFF de un sistema tanque a tanque.

el estado de la bomba; en verde el estado de la válvula de solenoide; y en negro, el

estado del relé.

De esta manera, se ha cumplido con todas las especificaciones del HMI dadas en la

sección 2.2.

3.2 Implementación de la simulación en Matlab©

La dinámica de la altura del tanque superior se simula utilizando el modelo obtenido

en la sección 3.1 de la práctica 1, que se repite en la siguiente ecuación:

dhdt

=(6,8827−0,03543h0,179) ¿s

(3.2.1)

Correspondiendo el primer término a la carga del tanque y el segundo a la descarga.

Además, la lógica para la simulación del orden de prioridad existente entre la bomba,

el relé y la válvula de solenoide se muestra en el pseudocódigo de la figura 3.2.1. Se

observa que el control principal sobre el llenado del tanque lo tiene la bomba, seguida

por el relé y en última instancia la válvula de solenoide.

3.3 Interconexión entre el HMI y la simulación en Matlab©

El sistema HMI y la simulación en Matlab© se hizo mediante el protocolo de comunicaciones de Windows© conocido como DDE. Las rutinas utlizadas fueron: el ddeinit para el establecimiento de un canal de comunicación, el ddereq para obtener datos en Matlab© desde la interfaz gráfica, y ddepoke para enviar datos desde Matlab hacia la interfaz gráfica.

En resumen, el sistema interconectado funciona así: Matlab pregunta a la interfaz gráfica los estados de los componentes bomba, relé y válvula de solenoide, y según la lógica mostrada en la figura 3.2.2 decide si el tanque debe llenarse o vaciarse para el siguiente periodo de simulación. Realiza la simulación y el resultado, la nueva altura del tanque, es enviado a la interfaz gráfica donde se actualiza el valor mostrado. Se comienza de nuevo el proceso.

Si la bomba está encendida

Si el relé está encendido

Si el nivel viene subiendo

Si la altura es menor que la

máxima

Seguir llenando el

tanque

Si no

Apagar solenoide y dejar

que se vacíe

Si no (el nivel viene bajando)

Si la altura es mayor que la

mínima

Seguir descargando el

tanque

Si no

Encender solenoide y

dejar que se llene

Si la válvula de solenoide está encendida

Figura 3.2.1. Pseudocódigo simulación sistema HMI

3.2 Memoria Descriptiva

A continuación se presenta una lista de los instrumentos utilizados para la

implementación de un sistema HMI como el descrito:

# Instrumento Cant Marca Modelo Detalles Técnicos Costo$/u

1 Computador 1 - -

Windows Vista o versión anterior, con procesador tipo Pentium o equivalente a 90 MHz o superior, al menos 500 MB de RAM, 10 GB de espacio libre, y resolución de pantalla de al menos 800x600 puntos.

>= 300

2 Paquete Lookout© 1 National Instruments 5.1 - -3 Matlab 1 Matlab 7 -Con soporte para DDE -

3.3 Análisis de Resultados

Luego de las pruebas realizadas a la interfaz gráfica se estableció que funciona

correctamente.

El modelo matemático simulado fue validado y verificado en la práctica 1, por lo que

no se expone su comportamiento en esta sección.

Capítulo 4Conclusiones

Los sistemas HMI son un gran complemento de los instrumentos clásicos de procesos

industriales.

En muchos casos resulta conveniente contar con un sistema HMI, a nombrar: cuando

el proceso es tan complejo que es más inteligible para los operadores ver

gráficamente lo que sucede en las diferentes secciones del mismo que hacerlo leyendo

los datos diseminados de los dispositivos de campo; cuando el proceso es peligroso y

se quiere resguardar la integridad del personal, de modo que las lecturas y acciones

deben obligatoriamente realizarse de forma remota; cuando simplemente se desea

llevar un registro automatizado de los estados del proceso y las decisiones tomadas

por los operadores; entre otros.

En el mundo actual, y más importante, en el venidero, los costos del computador son

tan pequeños y las ventajas tan grandes que es inimaginable una industria de

procesos que no utilice sistemas HMI.

Aunado a las técnicas que se vienen desarrollando en campos como la Inteligencia

Artificial y la Minería de Datos, los sitemas HMI tienen un futuro promisorio en toda

industria de procesos del futuro.