Peumo Repositorio Digital USM
https://repositorio.usm.cl
Tesis USM TESIS de Pregrado de acceso INTERNO
2019
APLICACIÓN DE MPC SUPERVISOR
A UN INTERCAMBIADOR DE CALOR
VICENCIO NÚÑEZ, VÍCTOR FELIPE
https://hdl.handle.net/11673/47835
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
VALPARAISO - CHILE
APLICACIÓN DE MPC SUPERVISOR A UN
INTERCAMBIADOR DE CALOR
VICTOR FELIPE VICENCIO NUÑEZ
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL ELECTRÓNICO
PROFESOR GUÍA : SR. MANUEL OLIVARES S.
Me gustaría agradecer en primer lugar a mi familia por siempre haber estado ahí para apoyarme, a mi madre y a mi padre así como también a mis hermanos por darme aliento no solamente durante la realización de este trabajo sino que durante toda mi carrera en la universidad, sin su apoyo no hubiera llegado tan lejos.
También me gustaría agradecer al profesor Manuel Olivares por el apoyo que me dio en los momentos más difíciles de la realización de este trabajo, a Francisco Ibarra y José Manuel Ortiz por su asistencia ya que sin su ayuda este trabajo no hubiera podido ser terminado y a Richard Vergara que me ayudó a familiarizarme con el equipo cuando no tenia idea de nada.
Hoy en día en la industria la aplicación de técnicas de control avanzado es muy importante para procesos en los que se desea algún grado de optimización de los recursos, lo que incluye la reducción de costos como objetivos adicionales de control, es por esto que tener cierto grado de familiaridad con estas técnicas de control se hace muy importante como ingeniero en la actualidad
El presente documento muestra el proceso de aplicación de un software capaz de desarrollar un control de este tipo, específicamente control predictivo basado en modelos, sobre un sistema intercambiador de calor controlado por PID locales. La idea es configurar un control predictivo supervisor que utilice una técnica de control avanzado que sea capaz de dar las referencias a los lazos de control PID y asi poder mantener controladas las señales más importantes del sistema.
Con este objetivo se cuenta con una planta demostrativa “Intercambiador de calor” con sensores de temperatura y flujo, una bomba centrífuga y un ventilador, ambos de velocidad variable, que son controlados mediante un PLC y dos variadores de frecuencia integrados mediante una red PROFINET, un computador personal capaz de conectarse a dicha red y programar el PLC mediante el software TIA Portal, al que además se le ha instalado el software LabVIEW para simulación y construcción de un HMI. Además se cuenta de un computador DCS con el software Profit Suite capaz de implementar una estrategia de control predictivo basado en modelos.
Nowadays in the industry the application of advanced control techniques is very important for processes in which some degree of optimization of resources is desired, which includes the reduction of costs as additional control objectives, which is why having certain degree of familiarity with these control techniques becomes very important as an engineer today
This document shows the process of applying software capable of developing such a control, speci-fically model-based predictive control, over a local PID-controlled heat exchanger system. The idea is to configure a predictive supervisory control that uses an advanced control technique that is capable of giving references to PID control loops and thus be able to keep the most important system signals controlled.
With this objective there is a demonstration plant “ Heat exchanger ” with temperature and flow sensors, a centrifugal pump and a fan, both of variable speed, which are controlled by a PLC and two frequency inverters integrated through a PROFINET network, a personal computer capable of connecting to said network and programming the PLC through the TIA Portal software, which also has LabVIEW software installed for simulation and construction of an HMI. In addition, there is a DCS computer with Profit Suite software capable of implementing a model-based predictive control strategy.
PLC: Controlador Lógico Programable o Programmable Logic Controller por sus siglas en inglés es un autómata programable utilizado para la realización de tareas de manera automática en tiempo real.
HMI: Interfaz Hombre Máquina (Human Machine Interface en inglés) como lo dice su nombre es la interfaz
entre el proceso y su operador, utilizado para la coordinación y control de procesos industriales en forma gráfica y en tiempo real.
LabVIEW: Acrónimo de Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, es una plataforma para el desarrollo de sistemas con un lenguaje de programación visual pensado para el control, diseño y simulado de sistemas en tiempo real.
OPC: OLE for Process Control en ingles, es un estándar de comunicación basado en el sistema operativo
Windows utilizado en el campo de control y supervisión de procesos industriales, nacido para solucionar el pro-blema de los drivers propietarios asegurando inter-operabilidad mediante un protocolo servidor-cliente.
PID: Control Proporcional, Integral, Derivativo. Es una estrategia de control por realimentación que calcula
la actuación a partir de la desviación entre el valor deseado y el valor real medido.
TCP/IP: Protocolo de Control de Transmisión/Protocolo de Internet, es un protocolo para la transmisión de
datos entre equipos en una misma red.
MIMO: Multiple Input Multiple Output en ingles, se refiere a sistemas que cuentan con más de una salida y
más de una entrada.
VI: Virtual Instrument en ingles, es un instrumento virtual utilizado por LabVIEW que cuenta de dos partes
un panel forntal y un diagrama de bloques.
RMPCT: Robust Model Predictive Control Technology en inglés, es la tecnología propietaria de la empresa Honeywell para la implementación de un sistema de control predictivo robusto.
PSES: Profit Suite Engineering Studio, es una de las aplicaciones del software Profit Suite de la empresa
Honeywell.
URT: Unified Real Time, es una infraestructura para la ejecución de aplicaciones en tiempo real utilizada por
Profit Suite.
OPC HDA: Acrónimo de OPC History Data Access, se refiere a servidores OPC con capacidad de almacena-miento histórico de datos.
DCS: Sistema de Control Distribuido, es un sistema de control dedicado a la integración de procesos
industriales complejos o con muchas señales distribuidas espacialmente y conectadas en red.
BLC: Base Level Control.
CV: Variables Controladas, se refiere a las variables que el controlador MPC tiene que “controlar”
mante-niendolas dentro de un rango o siguiendo un setpoint, corresponde a la medición del proceso.
MV: Variables Manipuladas, se refiere a las variables que el controlador MPC puede mover para controlar las
variables tipo CV, corresponde a la actuación sobre el proceso.
DV: Disturbance Variable en inglés, son las señales del sistema que corresponden a perturbaciones medidas y
Índice de Contenidos
1. Introducción 1
1.1. Problema a resolver y objetivos . . . 1
1.2. Estado del arte . . . 2
1.2.1. Control Predictivo Basado en Modelos . . . 2
1.2.2. LabVIEW . . . 3
1.3. Requerimientos funcionales . . . 4
1.3.1. Control predictivo de planta MIMO simulada . . . 4
1.3.2. Control PID local del intercambiador de calor . . . 4
1.3.3. Control supervisor del IDC . . . 4
2. Descripción del sistema intercambiador de calor 5 2.1. Componentes del sistema . . . 5
2.1.1. Estanque . . . 6
2.1.2. Calefactor . . . 7
2.1.3. Bomba centrifuga . . . 7
2.1.4. Radiador . . . 8
2.1.5. Ventilador . . . 8
2.1.6. Flujómetro . . . 9
2.1.7. Sensores de temperatura . . . 9
2.2. Instrumentación del sistema . . . 10
2.2.1. Controlador Lógico Programable (PLC) . . . 10
2.2.1.1. Módulo fuente de poder . . . 10
2.2.1.2. Módulo CPU . . . 11
2.2.1.3. Módulo de entradas digitales . . . 12
2.2.1.4. Módulo de salidas digitales . . . 12
2.2.1.5. Módulo de entradas analógicas . . . 12
2.2.1.6. Módulo de salidas analógicas . . . 13
2.2.2. Variadores de frecuencia . . . 14
2.2.2.1. Control Unit . . . 14
2.2.2.2. Power module . . . 14
2.2.2.3. BOP-2 . . . 14
2.2.3. Computadores personales . . . 15
3. Identificación y control usando Profit Suite 16 3.1. Planta simulada en LabVIEW . . . 16
3.2. Adquisición de datos . . . 20
3.3.2.2. Datos desde archivo Excell . . . 32
3.3.3. Identificación del modelo . . . 34
3.3.4. Identificación usando Stepper . . . 42
3.3.4.1. Creación de los BLC e incorporación de variables . . . 43
3.3.4.2. Operación de Stepper . . . 47
3.4. Control MPC de la planta simulada . . . 52
4. Control PID local de Flujo, Temperatura y∆T 61 4.1. Lazos de control PID . . . 61
4.2. Implementación del control PID . . . 63
4.2.1. Lazo de control de flujo . . . 64
4.2.1.1. Configuración del bloque PID en Tia Portal . . . 64
4.2.1.2. Configuración del Motion Control Bomba . . . 67
4.2.1.3. Filtrado de medición de flujo . . . 69
4.2.1.4. Respuesta del lazo de control . . . 70
4.2.2. Lazo de control de temperatura de salida . . . 71
4.2.2.1. Configuración del bloque PID en Tia Portal . . . 71
4.2.2.2. Respuesta del lazo de control . . . 73
4.2.3. Lazo de control de∆T . . . 74
4.2.3.1. Configuración del bloque PID en Tia Portal . . . 74
4.2.3.2. Configuración del Motion Control Ventilador . . . 77
4.2.3.3. Respuesta del lazo de control . . . 79
4.3. Interfaz de supervición HMI en LabVIEW . . . 80
5. Control predictivo del IDC 86 5.1. Identificación del modelo del intercambiador de calor . . . 86
5.2. Creación de Base Level Controls (BLC) . . . 91
5.2.1. BLC para variables de tipo CV . . . 91
5.2.2. BLC para variables de tipo MV . . . 91
5.3. Cambios en programa de PLC y en HMI . . . 93
5.4. Control MPC multivariable del intercambiador de calor . . . 96
6. Conclusiones 103 6.1. Análisis de resultados . . . 103
6.1.1. Identificación y control de planta simulada . . . 103
6.1.2. Control PID local del IDC . . . 103
6.1.3. Control MPC del intercambiador de calor . . . 104
6.2. Aportes del trabajo realizado . . . 104
6.3. Trabajo futuro . . . 104
Bibliografía 105
A. Creación y configuración de NI OPC server para comunicación con PLC S7-1500 106
B. Creación del OPC Client en LabVIEW para comunicación con PLC 112
C. Configuración de comunicación 116
D. Configuración de TIA PORTAL 120
E. Puesta en marcha de variadores de frecuencia 136
Índice de Tablas
2.1. Especificaciones técnicas del estanque . . . 6
2.2. Especificaciones técnicas del calefactor . . . 7
2.3. Especificaciones técnicas de la bomba . . . 7
2.4. Especificaciones técnicas del radiador . . . 8
2.5. Especificaciones técnicas del ventilador . . . 8
2.6. Especificaciones técnicas del sensor de flujo . . . 9
2.7. Especificaciones técnicas del sensor de temperatura . . . 9
2.8. Características del módulo fuente de poder . . . 11
2.9. Características del módulo CPU . . . 11
2.10. Características del módulo de entradas digitales . . . 12
2.11. Características del módulo de salidas digitales . . . 12
2.12. Características del módulo de entradas analógicas . . . 12
2.13. Características del módulo de salidas analógicas . . . 13
4.1. Variables del bloque PID de caudal . . . 66
4.2. Variables del bloque MC_Power del accionamiento Bomba Delta . . . 67
4.3. Variables del bloque MC_MoveJog del accionamiento Bomba Delta . . . 68
4.4. Variables del bloque PID de temperatura de salida . . . 73
4.5. Variables del bloque PID de∆T . . . 76
4.6. Variables del bloque MC_Power del accionamiento Ventilador Estrella . . . 77
4.7. Variables del bloque MC_MoveJog del accionamiento Ventilador Estrella . . . 78
5.1. Limites de actuación para variables de tipo MV . . . 99
Índice de Figuras
1.1. Diagrama de bloques del control predictivo basado en modelo . . . 2
1.2. Componentes de Profit Suite . . . 3
2.1. Diagrama del sistema intercambiador de calor . . . 6
2.2. Bomba centrifuga trifásica Pedrollo CP130 . . . 7
2.3. Esquemático del ventilador axial instalado . . . 8
2.4. Flujómetro de tipo turbina Nuflo . . . 9
2.5. PLC Siemens S7-1500 y sus módulos instalados . . . 10
2.6. Componentes del variador de frecuencia Siemens G120 . . . 14
3.1. Esquema de planta MIMO . . . 16
3.2. Canal creado para simulación en Servidor OPC . . . 17
3.3. Proyecto LabVIEW con variables para simulación . . . 17
3.4. Diagrama de bloques de simulación planta multivariable . . . 18
3.5. Señales de entrada y salida de simulación en LabVIEW . . . 19
3.6. Plataforma URT ventana principal . . . 20
3.7. Opciones de la nueva plataforma . . . 20
3.8. Nueva plataforma creada . . . 21
3.9. Creación de bloques de función en plataforma URT . . . 21
3.10. Working Value del parámetro urtInterval . . . 22
3.11. Creación de variables OPC en plataforma URT . . . 23
3.12. Opciones de conexión de las variables . . . 23
3.13. Opciones de historización de las variables . . . 24
3.14. Plataforma URT con variables OPC . . . 25
3.15. Extracción de datos de historizador en Uniformace Process Studio . . . 26
3.16. Data Trends de las variables de simulación . . . 26
3.17. Formato de datos en Excell . . . 27
3.18. Ventana principal PSES . . . 28
3.19. Opciones de nuevo proyecto en PSES . . . 29
3.20. Árbol de proyecto para la identificación . . . 29
3.21. Fuentes de datos . . . 30
3.22. Ventana de conexión con el cliente OPC HDA . . . 30
3.23. Opciones de importación de datos . . . 31
3.24. Ventana de confirmación de importe de datos . . . 32
3.25. Tags de simulación en Data Warehouse exportados de OPC HDA . . . 32
3.26. Ventana de búsqueda de archivo Excell a exportar . . . 33
3.27. Tags de simulación en Data Warehouse exportados de Excell . . . 33
3.28. Árbol de proyecto con ModelID . . . 34
3.29. Selección de variables a identificar . . . 34
3.30. Opciones de identificación con Clid . . . 35
3.33. Selección de rangos de datos para identificación . . . 36
3.34. Clid Step Response . . . 37
3.35. Resumen estadístico . . . 38
3.36. Opciones del menú Select Final Trials . . . 38
3.37. Ventana de edición de función de transferencia . . . 39
3.38. Matriz con modelos con error calculado . . . 39
3.39. Gráficos con predicciones de salida para las variables de simulación . . . 40
3.40. Funciones de transferencia obtenidas mediante identificación . . . 41
3.41. Árbol de proyecto para la identificación con Stepper . . . 42
3.42. Ventana de configuración de Stepper . . . 42
3.43. Configuración de BLC, datos generales . . . 43
3.44. Parámetro para determinar si PID es controlable - BLC Stepper . . . 44
3.45. Parámetro para determinar si PID esta funcionando - BLC Stepper . . . 44
3.46. Parámetro de lectura de valores de CV . . . 44
3.47. Parámetros de escritura/lectura de valores de MV . . . 45
3.48. Plataforma URT con variables para Stepper . . . 45
3.49. Resumen de variables del tipo MV agregadas a Stepper . . . 46
3.50. Resumen de variables del tipo MV agregadas a Stepper . . . 46
3.51. Menú de operación de Stepper . . . 47
3.52. Pestaña de MV Stepping . . . 47
3.53. Pestaña de Stepper Trend . . . 48
3.54. Pestaña de Model Selection . . . 48
3.55. Pestaña de Variable Overview . . . 49
3.56. Pestaña de Model Highlights . . . 49
3.57. Pestaña de Final Model Matrix . . . 50
3.58. Predicción del modelo encontrado con Stepper para la simulación . . . 50
3.59. Árbol de proyecto con controlador para simulación . . . 52
3.60. Opciones de construcción del controlador . . . 52
3.61. Generación de archivos del controlador . . . 52
3.62. Ventana de crear nueva aplicación en PSRS . . . 53
3.63. Ventana de creación de aplicación de Profit Controller . . . 53
3.64. Configuración de Profit Controller - PestañaControllers. . . 54
3.65. Configuración de Profit Controller - PestañaConnections for BLC . . . 55
3.66. Parámetro para determinar si PID esta funcionando - BLC controlador . . . 55
3.67. Parámetro para determinar si PID es controlable - BLC controlador . . . 56
3.68. Parámetro para determinar enrollamiento en el controlador PID . . . 56
3.69. Plataforma URT con variables para control . . . 57
3.70. Configuración de Profit Controller - PestañaConnections . . . 57
3.71. Aplicaciones del equipo en PSOS . . . 58
3.72. Resumen del estado de las variables dentro del controlador . . . 58
3.73. Señal tipo CV - Respuesta del sistema y1 . . . 59
3.74. Señal tipo CV - Respuesta del sistema y2 . . . 59
3.75. Señal tipo MV - Señal de actuación u1 . . . 60
3.76. Señal tipo MV - Señal de actuación u2 . . . 60
4.1. Lazo de control de flujo . . . 61
4.2. Lazo de control de temperatura de salida . . . 62
4.3. Lazo de control de diferencia de temperatura . . . 62
4.10. Bloque MC_Power para el accionamiento Bomba Delta . . . 67
4.11. Bloque MC_MoveJog para el accionamiento Bomba Delta . . . 68
4.12. Bloque Time Averaging en LabVIEW . . . 69
4.13. Respuesta lazo de control de flujo . . . 70
4.14. Ajustes Básicos del bloque PID de temperatura de salida . . . 71
4.15. Escalamiento de entrada del bloque PID_TS . . . 71
4.16. Parámetro de control del bloque PID de temperatura de salida . . . 72
4.17. Bloque PID temperatura de salida . . . 72
4.18. Respuesta lazo de control de temperatura de salida . . . 73
4.19. Ajustes Básicos del bloque PID de∆T . . . 74
4.20. Escalamiento de entrada del bloque PID_DT . . . 75
4.21. Parámetro de control del bloque PID de∆T . . . 75
4.22. Bloque PID de∆T . . . 76
4.23. Escalamiento de actuación para ventilador . . . 76
4.24. Bloque MC_Power para el accionamiento Ventilador Estrella . . . 77
4.25. Bloque MC_MoveJog para el accionamiento Ventilador Estrella . . . 78
4.26. Respuesta lazo de control de∆T . . . 79
4.27. Bloques con variables de velocidad de motores . . . 80
4.28. Bloques con variables del calefactor . . . 80
4.29. Bloques con variables de flujo . . . 81
4.30. Setpoint de los lazos de control PID . . . 81
4.31. Bloques con variables de∆T . . . 81
4.32. Servidor OPC con canal para el control PID . . . 82
4.33. Proyecto LabVIEW para control PID . . . 82
4.34. Diagrama de bloques del HMI para control PID . . . 83
4.35. HMI en LabVIEW para control PID del intercambiador de calor . . . 84
5.1. Proyecto con plataforma Stepper para identificación del IDC . . . 86
5.2. Cliente OPC en plataforma URT con variables del IDC . . . 87
5.3. Resumen de la configuración de variable del IDC usadas en Stepper . . . 87
5.4. Configuración de MV Stepping para IDC . . . 88
5.5. Configuración de MV Stepping para IDC . . . 88
5.6. Model Highlights . . . 89
5.7. Modelo final del IDC . . . 89
5.8. BLC del intercambiador de calor - Execute de variable tipo CV . . . 91
5.9. BLC del intercambiador de calor - Mode de variable tipo CV . . . 91
5.10. BLC del intercambiador de calor - Execution de variable tipo MV . . . 92
5.11. Parámetro para determinar enrollamiento en el controlador PID . . . 92
5.12. WU Ventilador . . . 93
5.13. WU Bomba . . . 93
5.14. WU Calefactor . . . 94
5.15. Interfaz humano - máquina para control del IDC . . . 95
5.16. Diagrama de bloques del HMI para control MPC . . . 96
5.17. Opciones de construcción del controlador para IDC . . . 96
5.18. Archivos generados del controlador para el IDC . . . 97
5.19. Pestaña Controllers . . . 97
5.20. Pestaña Connections for Base level controls . . . 98
5.21. Pestaña Connections . . . 98
5.22. Controlador para el IDC en PSOS . . . 99
5.23. Respuesta de la señal de temperatura de salida a control MPC . . . 99
5.24. Actuación del calefactor con control MPC . . . 100
5.25. Respuesta de la señal de flujo a control MPC . . . 100
5.26. Velocidad de la bomba con control MPC . . . 101
5.28. Velocidad del ventilador con control MPC . . . 102
A.1. Ventana principal de NI OPC Server Configuration . . . 106
A.2. Creación de nuevo canal parte uno . . . 106
A.3. Creación de nuevo canal parte dos . . . 107
A.4. Creación de nuevo canal parte tres . . . 107
A.5. Como agregar dispositivos al canal parte uno . . . 108
A.6. Como agregar dispositivos al canal parte dos . . . 108
A.7. Como agregar dispositivos al canal parte tres . . . 109
A.8. Como agregar dispositivos al canal parte cuatro . . . 109
A.9. Como agregar dispositivos al canal parte cinco . . . 110
A.10.Resumen de la configuración del dispositivo . . . 110
A.11.NI OPC Server . . . 111
A.12.Propiedades de nuevo Tag a agregar . . . 111
B.1. Ventana de nuevo proyecto en LabVIEW . . . 112
B.2. Menú de creación de I/O Server . . . 113
B.3. Configuración de cliente OPC . . . 113
B.4. Proyecto con cliente ya creado . . . 114
B.5. Propiedades de variables compartidas . . . 114
B.6. Menú de creación de variables compartidas . . . 115
C.1. Menú de administración de equipo - Usuarios . . . 116
C.2. Menú de creación de usuario nuevo . . . 117
C.3. Menú de administración de equipo - Grupos . . . 117
C.4. Propiedades de usuarios COM distribuidos . . . 118
C.5. Menú de selección de usuario . . . 118
C.6. Configuración de nombre y grupo de trabajo . . . 119
C.7. Configuración de Firewall . . . 119
D.1. Icono de TIA PORTAL . . . 120
D.2. Menú inicial de TIA portal . . . 121
D.3. Ventana de creación de proyecto . . . 121
D.4. Menú de agregar nuevo dispositivo - Controlador . . . 122
D.5. Ventana principal de TIA PORTAL . . . 123
D.6. Menú de catálogo de Hardware . . . 124
D.7. Menú de información en catálogo de Hardware . . . 124
D.8. Menú de agregar accionamiento . . . 125
D.9. Vista topológica del proyecto . . . 126
D.10.Dirección Ethernet puerto X1 PLC . . . 126
D.11.Dirección Ethernet puerto X2 PLC . . . 127
D.12.Configuración del Canal 0 de entradas analógicas . . . 128
D.13.Configuración del Canal 02 y 6 de entradas analógicas . . . 128
D.14.Configuración del Canal 1 de salidas analógicas . . . 129
D.15.Dirección Ethernet variador de frecuencia de ventilador . . . 129
D.16.Dirección Ethernet variador de frecuencia de bomba . . . 130
D.17.Configuración de telegrama . . . 130
D.18.Vista de redes del proyecto . . . 131
D.19.Asignación de controlador de IO . . . 131
E.1. Asistente de puesta en marcha, paso 1 . . . 136
E.2. Asistente de puesta en marcha, paso 2 . . . 137
E.3. Asistente de puesta en marcha, paso 3 . . . 138
E.4. Asistente de puesta en marcha, paso 4 . . . 139
E.5. Asistente de puesta en marcha, paso 5 . . . 140
E.6. Asistente de puesta en marcha, paso 6 . . . 141
E.7. Asistente de puesta en marcha, paso 7 caso motor de bomba . . . 142
E.8. Asistente de puesta en marcha, paso 7 caso motor de ventilador . . . 143
E.9. Asistente de puesta en marcha, paso 8 caso motor de bomba . . . 144
E.10. Asistente de puesta en marcha, paso 8 caso motor de ventilador . . . 145
E.11. Asistente de puesta en marcha, paso 9 . . . 146
E.12. Asistente de puesta en marcha, paso 10 . . . 147
E.13. Asistente de puesta en marcha, paso 11 caso motor de ventilador . . . 148
F.1. Objetos tecnológicos en árbol de proyecto . . . 149
F.2. Ventana de agregar objeto tecnológico . . . 150
F.3. Parámetros básicos del SpeedAxis . . . 151
F.4. Interfaz de Hardware, Accionamiento . . . 151
F.5. Ventana de selección de accionamiento . . . 152
F.6. Interfaz de Hardware, Intercambio de datos . . . 152
F.7. Ventana de creación de bloques de función . . . 153
F.8. Menú de Instrucciones, sección Tecnología . . . 154
F.9. Ventana de opciones de llamada, instrucción tecnológica . . . 155
F.10. Ejemplo de instrucción MC_ Power . . . 155
F.11. Ventana de opciones de llamada, bloque de programa . . . 156
1
|
Introducción
En este capitulo se presenta el problema que se desea resolver con el desarrollo de este trabajo y los objetivos que se esperan alcanzar con ello, además de realizar un resumen del estado actual de las herramientas más importantes utilizadas en el proceso, para finalizar con una síntesis de como el trabajo será abordado durante su desarrollo.
1.1.
Problema a resolver y objetivos
El trabajo “Aplicación de MPC Supervisor a un Intercambiador de Calor” tiene como objetivo la aplicación de un software de control industrial “RMPCT” de Honeywell para la implementación de una estrategia de control predictivo supervisor a un sistema de control PID realimentado de tres lazos semi
independientes desarrollado en la memoria de Nicolás Yaksik y Gino Alberti [1]: “Actualización de la
Instrumentación, Control y Supervisión de un Sistema Intercambiador de Calor” y luego revisado en la
memoria de Richard Vergara [2]: “Control Supervisor Difuso de un Intercambiador de Calor”. Este trabajo
permitirá la generación de documentación sobre el uso de la herramienta de control MPC de Honeywell además de habilitar el uso del sistema intercambiador de calor como una nueva experiencia para el laboratorio de control industrial en el futuro.
Los objetivos que pretenden ser alcanzados al finalizar la realización de este trabajo son los siguientes:
1. Configurar el software RMPCT en un computador dedicado con sistema operativo Windows Server 2012 que actuará como Sistema de Control Distribuido DCS.
2. Conectar el equipo utilizado como sistema de control distribuido con el PLC de control local mediante OPC.
3. Implementar una estrategia de control MPC supervisor utilizando el software RMPCT sobre un sistema con control PID realimentado y evaluar su desempeño.
1.2.
Estado del arte
En esta sección se hace un pequeño resumen del estado actual de las herramientas a utilizar en el transcurso de este trabajo.
1.2.1.
Control Predictivo Basado en Modelos
El control predictivo basado en modelos, o MPC por sus siglas en inglés, es una técnica de control avanzado de procesos que consta de una serie de algoritmos que utilizan un modelo explícito de la planta para computar las variables a manipular, y con esto, optimizar el desempeño del proceso sobre un periodo de tiempo futuro. Lo anterior significa que el control predictivo, como su nombre lo indica, tiene la capacidad de anticipar acontecimientos futuros y tomar las acciones de control adecuadas en el tiempo presente.
El uso del control predictivo basado en modelos es recomendado en sistemas de varias variables o en sistemas donde las variables poseen interacciones entre ellas, pero principalmente, en sistemas que requieran optimización de recursos como es el caso de la industria petroquímica o sistemas eléctricos de potencia. Un esquema general de cómo se implementa un algoritmo MPC se muestra en la figura 1.1.
Figura 1.1:Diagrama de bloques del control predictivo basado en modelo
El algoritmo se basa en utilizar el modelo de la planta, las mediciones y las actuaciones pasadas para predecir las respuestas futuras del sistema para compararlas a la respuesta deseada y obtener el error futuro, luego de esto se usa un algoritmo de optimización para calcular las acciones de control futuras que hacen que el sistema se comporte como se desea.
En la realización de este trabajo se utilizará para la implementación del control MPC el software Profit Suite de la empresa Honeywell, este software es ampliamente utilizado en la industria tanto internacional como nacional, siendo un ejemplo su utilización para el control de los molinos SAG en la división El Teniente
de Codelco [3]. El algoritmo de control predictivo multivariable robusto basado en modelos (RMPCT por
Profit Suite cuenta con una serie de productos incluidos para dar soluciones a distintos tipos de necesidades industriales como por ejemplo Profit Suite Operation Station (figura 1.2(a)) que ofrece un ambiente intuitivo para la operación del control MPC, Profit Suite Runtime Studio (figura 1.2(b)) que simplifica la implementación de controladores en plataformas Experion o no propietarias de Honeywell, el Uniformance Process Studio (figura 1.2(c)) para la visualización de data histórica recolectada y Profit Suite Engineering Studio (figura 1.2(d)) que incluye herramientas integradas para modelado visualización de datos e identificación de sistemas, entre otros.
(a)Icono de PSOS
(b)Icono de
PSRS (c)Icono de UPS
(d)Icono de PSES
Figura 1.2:Componentes de Profit Suite
1.2.2.
LabVIEW
LabVIEW o Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench por sus siglas en ingles, es un programa creado por National Instruments como una plataforma de desarrollo y diseño de sistemas de monitoreo y control (entre otros) mediante una interfaz gráfica. Su principal característica es su fácil uso, ya que gracias a su interfaz gráfica no es necesario tener extensivo conocimiento de programación para poder usarlo, además este software permite la fácil combinación con otros tipos de software similares y hardware de otros fabricantes gracias a la gran cantidad de módulos funcionales que posee.
Dentro del desarrollo de este trabajo uno de los módulos más utilizados corresponde al módulo Control Design and Simulation que ofrece un entorno de programación para la simulación de sistemas dinámicos, el diseño de controladores y la implementación de controladores mediante el uso de hardware en tiempo real. El otro módulo que se utiliza en gran medida es el módulo Datalogging and Supervisory Control (DSC) que permite el desarrollo de aplicaciones de registro de datos, conexión de dispositivos mediante OPC y desarrollo de interfaces HMI.
Este software es muy utilizado en el ambiente académico tanto en aula como en el desarrollo de memorias como esta misma, algunos ejemplos de esto son el trabajo de titulo realizado por Guelis Montenegro
llamado ´´Control y supervisión de un equipo didáctico para control de procesos” [4] y la memoria realizada
por Richard Vergara titulada ´´Control supervisor difuso de un intercambiador de calor” [2] que utilizo
1.3.
Requerimientos funcionales
A continuación se presentan los requerimientos funcionales que tiene este trabajo y los cuales deben ser desarrollados para cumplir con los objetivos del mismo.
1.3.1.
Control predictivo de planta MIMO simulada
Se debe realizar una conexión OPC entre dos computadores, uno que tenga instalado el software Profit Suite y el otro que tenga instalado el sofware TIA Portal además del software LabVIEW, luego se debe desarrollar una simulación en LabVIEW de una planta multivariable con modelo conocido y proceder a utilizar el sofware Profit Suite para el análisis de la simulación y la identificación de su modelo, esto se realiza con el objetivo de ganar competencia en el uso de esta herramienta.
Una vez encontrado un modelo se deberá construir un controlador predictivo multivariable capaz de seguir una referencia ingresada al programa por el usuario.
1.3.2.
Control PID local del intercambiador de calor
Se debe desarrollar una estrategia de control local para los tres lazos más importantes del intercambia-dor de calor: la temperatura de salida del estanque, la diferencia de temperatura de entrada al estanque y el flujo de agua circulante por el intercambiador de calor. Para esto se debe utilizar el PLC SIEMENS S7-1500 con software TIA Portal, dos variadores de frecuencia SIEMENS G-120, un calefactor trifásico de inmersión, dos sensores de temperatura PT100 y un sensor de flujo tipo turbina presentes en el sistema. Además se debe realizar la construcción de una interfaz humano - máquina capaz de operar el sistema de control de manera local, de forma automática y manual.
1.3.3.
Control supervisor del IDC
2
|
Descripción del sistema
intercambiador de calor
Para lograr un entendimiento del sistema intercambiador de calor sobre el que se trabajará es ne-cesario estudiar sus características. En este capitulo se mostraran las partes que componen el sistema y la instrumentación que lo hace funcionar en la actualidad.
2.1.
Componentes del sistema
Los componentes que forman parte del sistema intercambiador de calor se pueden apreciar en la figura 2.1 y se resumen en la siguiente lista:
Estanque térmicamente aislado
Calefactor de inmersión trifásico
Bomba centrífuga trifásica
Radiador
Ventilador axial trifásico
Válvula de bola manual de recirculación
Válvula de bola manual de vaciado
Flujómetro de tipo turbina
Sensores de temperatura PT-100
El sistema consta de dos procesos principales, el calentamiento y enfriamiento del agua del estanque. Para aumentar la temperatura del agua del estanque se usa el calefactor trifásico que se encuentra sumergido dentro de este, para realizar el enfriamiento se utiliza la bomba para circular el agua hasta el radiador donde se encuentra un ventilador que ayuda a circular el aire por este y reducir la temperatura del agua.
Calefactor Bomba F Flujómetro Válvula de vaciado T
PT - 100 Estanque I n d ic ad o r d e n iv e l T
PT - 100
Válvula de recirculación Ventilador R a d ia d o r
Figura 2.1:Diagrama del sistema intercambiador de calor
Un diagrama eléctrico de conexiones de los sensores y la instrumentación del intercambiador de calor
puede observarse en el capítulo 3 de la memoria de Richard Vergara [2].
A continuación se entrega una breve descripción de los componentes que son parte del sistema y sus principales características técnicas:
2.1.1.
Estanque
El estanque es de forma cilíndrica y cuenta con un forro exterior para asegurar una buena aislación térmica del liquido en su interior, sus características principales se ven en la tabla 2.1.
Tabla 2.1:Especificaciones técnicas del estanque
Material Acero inoxidable 2 [mm] de espesor
Material forro exterior Latón 1 [mm] de espesor
Altura 72 [cm]
Diámetro 45 [cm]
Altura (forro exterior) 82 [cm]
Diámetro (forro exterior) 82 [cm]
2.1.2.
Calefactor
Consiste en tres resistencias independientes conectadas en estrella, puede funcionar con una potencia máxima de 9.5 [kW] la cual es controlada por un circuito de disparo con Triacs, sus características principales se ven en la tabla 2.2.
Tabla 2.2:Especificaciones técnicas del calefactor
Tipo Calefactor de inmersión
Fabricante Trotter
Alimentación Trifásica
Potencia máxima 9.5 [kW]
Material Cobre
Resistencias 3 x 15.2 [Ω]
2.1.3.
Bomba centrifuga
Es una bomba centrifuga de alimentación trifásica en conexión en Delta, como la que se ve en la
figura 2.2. Soporta temperaturas de hasta 90 [◦C] lo que la hace perfecta para la aplicación, sus características
principales se ven en la tabla 2.3.
Figura 2.2:Bomba centrifuga trifásica Pedrollo CP130
Tabla 2.3:Especificaciones técnicas de la bomba
Fabricante Pedrollo
Modelo CP130
Velocidad nominal 2900 [RPM]
Potencia nominal 0.37 [kW]
Corriente nominal 2 [A]
Alimentación Trifásica
2.1.4.
Radiador
Es un radiador de un vehículo pequeño marca Suzuki Fronte, posee un bocatomas de entrada y de salida. El liquido circula por 42 tubos de manera ascendente, sus características principales se ven en la tabla 2.4.
Tabla 2.4:Especificaciones técnicas del radiador
Dimensiones 30 x 30 x 3.5 [cm]
Bocatomas 1 [in]
Tipo de aleta Simple
Dimensión tubos Área transversal de 2 x 15 [mm]
2.1.5.
Ventilador
Es un ventilador axial mural con hélice de aluminio, como el que se ve en la figura 2.3, posee alimentación trifásica con conexión en estrella. Aunque es un modelo ya descontinuado la empresa continua suministrando ventiladores de características similares en su linea HCBB, sus características principales se ven en la tabla 2.5.
Figura 2.3:Esquemático del ventilador axial instalado
Tabla 2.5:Especificaciones técnicas del ventilador
Fabricante Soler & Palau
Modelo HBT 2-275 N
Velocidad nominal 2650 [RPM]
Potencia nominal 0.22 [kW]
Corriente nominal 1.1 [A]
2.1.6.
Flujómetro
Es un sensor de flujo de tipo turbina, esto significa que genera una señal sinusoidal cuya frecuencia se puede considerar lineal con el flujo que circula por este. En la figura 2.4(a) se observa la turbina interna del sensor que genera la señal a medir, en la figura 2.4(b) se observa el sensor físico que va conectado a las cañerías del intercambiador de calor. Sus características principales se ven en la tabla 2.6.
(a)Diagrama interno
(b)Diseño externo
Figura 2.4:Flujómetro de tipo turbina Nuflo
Tabla 2.6:Especificaciones técnicas del sensor de flujo
Fabricante Nuflo
Tipo Sensor de turbina
Rango lineal de medición 2.8 - 28.1 [l/min]
Factor de calibración 14474 [pulsos/galón]
Conexión 0.5 [in]
2.1.7.
Sensores de temperatura
Para este sistema se necesitan dos sensores de temperatura: uno para la salida del estanque y uno para la entrada de este, ambos van sumergidos dentro del liquido de las cañerías. Los sensores de temperatura utilizados en el sistema son del tipo Pt100, consisten en un bobinado fino de platino enrollado entre capas de material aislante y protegido por un revestimiento metálico, sus características principales se ven en la tabla 2.7.
Tabla 2.7:Especificaciones técnicas del sensor de temperatura
Fabricante RS Components Ltda.
Modelo RS 158-402
Resistencia a 0 [◦C] 100±0.1 [Ω]
Coeficiente de temperatura 0.385 [Ω/◦C]
2.2.
Instrumentación del sistema
En esta sección se revisará la instrumentación utilizada para la automatización del sistema intercam-biador de calor, es decir los controladores y actuadores al igual que las conexiones de los sensores además de los computadores necesarios para esto.
2.2.1.
Controlador Lógico Programable (PLC)
El PLC utilizado para el desarrollo de esta memoria es el PLC Siemens S7-1500 que se encuentra instalado en el modulo intercambiador de calor, ubicado en el laboratorio de control industrial. Este controlador es la ultima versión de Siemens para la familia S7 y asegura los más altos niveles de eficiencia para aplicaciones de rango medio y alto en sistemas de automatización.
En la figura 2.5 se observa un PLC como el utilizado en el laboratorio con todos los módulos instalados, para este caso los módulos de izquierda a derecha son los siguientes:
Módulo fuente de poder
CPU 1516-3 PN/DP
Módulo de entradas digitales
Módulo de salidas digitales
Módulo de entradas analógicas
Módulo de salidas analógicas
Figura 2.5:PLC Siemens S7-1500 y sus módulos instalados
A continuación se darán las características técnicas de cada módulo utilizado:
2.2.1.1. Módulo fuente de poder
periferia local, algunas de sus características más relevantes se muestran en la tabla 2.8, para información
más detallada revisar la hoja de datos técnicos del módulo [5].
Tabla 2.8:Características del módulo fuente de poder
Input
Voltaje de alimentación de 120 o 230 [V] AC Frecuencia de linea de 50 o 60 [Hz]
Sobrevoltajes de hasta 2.3 xVindurante 1.3 [ms]
Output
Voltaje de salida de 24 [V] DC Corriente de salida máxima 8 [A] Potencia nominal de carga 190 [W]
2.2.1.2. Módulo CPU
Para el caso del módulo CPU se utiliza el módulo CPU 1516-3 PN/DP con número de serie 6ES7
516-3AN01-0AB0 instalado en el slot 1 del rack del PLC, justo a la derecha del módulo de alimentación siendo el segundo módulo instalado desde la izquierda. Este módulo es una CPU estándar para aplicaciones de alta gama y tareas de comunicación, cuenta con acceso a bloques estandarizados para la conexión y configuración de actuadores gracias a STEP 7 (TIA Portal), esta CPU también cuenta con una pantalla capaz de mostrar mensajes de los errores que se produzcan y entregar información sobre los módulos conectados incluyendo versión de firmware y números de serie, además da la posibilidad de ingresar la dirección IP sin la necesidad de programar por computador. Algunas de sus características técnicas relevantes se muestran en la tabla 2.9.
Tabla 2.9:Características del módulo CPU
Versión de firmware V2.1
Voltaje de alimentación 24 [V] DC
Número de contadores 2048
Número de temporizadores 2048
Número de interfaces PROFINET 2
PROFIBUS 1
Memoria integrada Para programa 1 [MB]
Para datos 5 [MB]
Esta CPU cuenta con tres interfaces para comunicación, dos interfaces PROFINET y una interfaz PROFIBUS las cuales se describen a continuación:
La primera interfaz PROFINET (X1) tiene dos puertos (P1R y P2R) que soportan las funcionalidades básicas de PROFINET además de PROFINET IO RT (Realtime) y PROFINET IO IRT (Isochronous Realtime). Al primer puerto de esta interfaz se le asigna la dirección IP 192.168.0.1 y se conecta con un cable ethernet a un variador de frecuencia. Para más detalles sobre las funcionalidades PROFINET
revisar el manual de la CPU [6].
2.2.1.3. Módulo de entradas digitales
El módulo de entradas digitales utilizado es el modelo DI 32x24 VDC HF con número de serie 6ES7 521-1BL00-0AB0, instalado en el slot 2 del rack del PLC justo a la derecha de la CPU siendo el tercer módulo instalado desde la izquierda. Algunas de las características más relevantes de este módulo se muestran en la tabla 2.10, pero aunque este módulo se encuentre instalado en el PLC no se usa en este trabajo.
Tabla 2.10:Características del módulo de entradas digitales
Versión de firmware V2.1
Voltaje nominal de entrada 24 [V] DC
Número de entradas 32 entradas digitales
Retardo de entrada Entre 0.5 - 20 [ms] configurable
2.2.1.4. Módulo de salidas digitales
El módulo de salidas digitales utilizado es el modelo DQ 32x24 VDC/0.5A HF con número de serie
6ES7 522-1BL01-0AB0, instalado en el slot 3 del rack del PLC justo a la derecha del modulo de entradas digitales siendo el cuarto módulo instalado desde la izquierda, al igual que el módulo de entradas digitales el módulo de salidas digitales no se usa durante este trabajo. Algunas de las características más relevantes de este módulo se muestran en la tabla 2.11.
Tabla 2.11:Características del módulo de salidas digitales
Versión de firmware V1.0
Voltaje nominal de salida 24 [V] DC
Corriente nominal de salida 0.5 [A] DC
Número de salidas 32 salidas digitales
2.2.1.5. Módulo de entradas analógicas
El módulo de entradas analógicas utilizado es el modelo AI 8xU/I/RTD/TC ST con número de serie
6ES7 531-7KF00-0AB0, instalado en el slot 4 del rack del PLC justo a la derecha del modulo de salidas digitales siendo el quinto módulo instalado desde la izquierda. Algunas de las características más relevantes de este módulo se muestran en la tabla 2.12.
Tabla 2.12:Características del módulo de entradas analógicas
Versión de firmware V2.0
Número de entradas 8 entradas analógicas
Resolución 16 bits incluido el signo
Tipo de medición
Tensión configurable por canal(*) Corriente configurable por canal(*) Resistencia configurable por canal(*)
RTD (Termorresistencia) configurable por canal(*) Termopar configurable por canal(*)
(*) Para más detalles en los rangos de configuración disponibles y el método de conexión para cada tipo de
Para el caso de este módulo se necesita conectar las señales provenientes de los tres sensores descritos anteriormente como se describe a continuación:
Sensor de flujo: Este sensor posee un circuito que adapta la señal de frecuencia entregada por el mismo y la convierte en una señal de voltaje continuo entre -1 y 10.5 [V] (para más detalles sobre este circuito
revisar la memoria de Richard Vergara [2]), por esto se configura el canal 0 del módulo de entradas
analógicas para medición de tensión en el rango de±10 [V] y se conecta en él esta señal.
Sensor de PT100 superior: Este sensor se conecta directamente al canal 2 del módulo de entradas analógicas el cual debe ser configurado para medición del tipo termorresistencia de una PT100 de 4 hilos.
Sensor de PT100 inferior: Este sensor se conecta directamente al canal 6 del módulo de entradas analógicas, al igual que el caso anterior la configuración del canal debe ser para medición del tipo termorresistencia de una PT100 de 4 hilos.
Para más detalles sobre como se realiza la configuración de los canales del módulo de entradas analógicas se debe revisar el anexo D de este mismo documento.
2.2.1.6. Módulo de salidas analógicas
El módulo de salidas analógicas utilizado es el modelo AQ 4xU/I ST con número de serie 6ES7
532-5HD00-0AB0, instalado en el slot 5 del rack del PLC justo a la derecha del modulo de entradas analógicas siendo el sexto módulo instalado desde la izquierda. Algunas de las características más relevantes de este módulo se muestran en la tabla 2.13.
Tabla 2.13:Características del módulo de salidas analógicas
Versión de firmware V2.0
Número de salidas 4 salidas analógicas
Resolución 16 bits incluido el signo
Tipo de salida Tensión configurable por canal(*)
Corriente configurable por canal(*)
(*) Para más detalles acerca de los rangos de configuración disponibles y el método de conexión para cada
tipo de salida favor de revisar el manual del módulo de salidas analógicas [8].
Para el caso de este módulo solamente se utiliza uno de sus canales el cual es el que se utiliza para controlar la potencia del calefactor. El calefactor utiliza un circuito de potencia construido con TRIACs para regular su potencia, con este circuito se convierte un voltaje proveniente del PLC de 0-10 [V] en un rango de
operación de 0-100 [ %] (para más detalles sobre este circuito revisar la memoria de Richard Vergara [2]). Es
por esto que se configura el canal 0 del módulo de salidas analógicas como salida de tensión en el rango de 0-10 [V] y se conecta a él la señal del circuito regulador del calefactor.
2.2.2.
Variadores de frecuencia
Para controlar la velocidad de la bomba y el ventilador del sistema intercambiador de calor se utiliza un par de variadores de frecuencia Siemens modelo G120. Cada uno de estos variadores cuenta con una unidad de control, un módulo de potencia y un panel de operación frontal, como ambos variadores utilizados tienen las mismas características técnicas y los mismos componentes solo se describirán una sola vez.
(a)Unidad de
control (b)Módulo de potencia
(c)Panel de operación
Figura 2.6:Componentes del variador de frecuencia Siemens G120
2.2.2.1. Control Unit
Cada variador de frecuencia necesita una unidad de control que se encargue del procesamiento de los datos y el control, en este caso es el modelo CU250S-2 PN con número de serie 6SL3246-0BA22-1FA0 como el visto en la figura 2.6(a). Esta unidad posee una interfaz PROFINET con dos puertos capaz de funcionar como un esclavo inteligente a través de una conexión PROFINET IO. Aunque tiene la capacidad de ser configurado a través de un panel de operación frontal también se puede configurar a través de conexión con computadora utilizando el software TIA Portal, esto lo hace muy conveniente debido a la gran cantidad de parámetros que se encuentran involucrados en la puesta en marcha de este dispositivo.
2.2.2.2. Power module
Cada unidad de control debe ir acompañada de un módulo de potencia que le da energía al variador de frecuencia y a los motores, para este caso se utiliza el modelo PM240-2 IP20 con número de serie 6SL3210-1PE11-8ULx como el que se observa en la figura 2.6(b). Esta unidad de potencia es capaz de soportar cargas de hasta 0.55 [kW] (0.75 [HP]), lo que es más que suficiente para los motores a controlar que son equipos de no más de 0.5 [HP],
2.2.2.3. BOP-2
Para los detalles sobre como se realiza la configuración de la red PROFINET entre los variadores de fecuencia, el PLC y el computador favor de revisar el anexo D de este documento. Si se desea saber el procedimiento para el ingreso de los parámetros de los motores en los variadores de frecuencia y su puesta en marcha favor de revisar el anexo E de este documento.
2.2.3.
Computadores personales
En el desarrollo de este trabajo se utilizan dos computadores de escritorio con las siguientes caracte-rísticas:
Nombre del equipo: BODE04
Este equipo cuya dirección IP es 10.2.43.53 tiene un sistema operativo Windows 7 Professional de 64 bits, un procesador Intel Core i5 y 8 GB de memoria RAM. Este computador tiene instalados los siguientes programas que son utilizados en la realización de este trabajo:
1. LabVIEW 2015 32 bits.
2. NI OPC Server 2016
3. TIA Portal V14
Nombre del equipo: BODE16
Este equipo cuya dirección IP es 10.2.43.65 tiene un sistema operativo Windows Server 2012 R2 Standard de 64 bits, un procesador Intel Core i5 y 16 GB de memoria RAM. Este computador tiene instalados los siguientes programas que son utilizados en la realización de este trabajo:
1. LabVIEW 2016 32 bits.
2. NI OPC Server 2016
3. Profit Suite Version R440.1.00.64
3
|
Identificación y control de planta
lineal simulada usando Profit
Suite
En este capitulo se describe el procedimiento usado para conectar el software Profit Suite de Honeywell a una planta lineal multivariable simulada con el software LabVIEW con el objetivo de identificación de la planta y control de la misma. Se muestra el proceso desde la creación de la plataforma en Profit Suite y la simulación, incluyendo la conexión de variables para la recolección de datos, hasta el procesamiento de estos y la identificación final de la planta simulada junto con la construcción del controlador y su operación.
3.1.
Planta simulada en LabVIEW
Cuando se tiene una planta con más de una entrada y más de una salida en la que se producen interacciones entre estas se tiene lo que se conoce como una planta multivariable o MIMO por sus siglas en inglés (multiple input multiple output).
En este caso se construirá usando LabVIEW una simulación de una planta multivariable de dos entradas y dos salidas, como la observada en la figura 3.1, con el objetivo de probar las capacidades de identificación de plantas a través de datos que posee el sotfware Profit Suite.
MIMO
u1u2
y1
y2
Figura 3.1:Esquema de planta MIMO
Dentro del canal antes mencionado se crea un dispositivo llamadoSimulación, dentro de él se crean las variables necesarias para la conexión de la planta multivariable antes mencionada, estas son:
· Entrada uno→Tag Name: u1
· Entrada dos→Tag Name: u2
· Salida uno→Tag Name: y1
· Salida dos→Tag Name: y2
En la figura 3.2 se muestra el servidor OPC con los Tags antes mencionados dentro del canal creado para la simulación. El tipo de variable se definió como flotante para tener dígitos decimales y valores negativos, elScan Ratese eligió de cien milisegundos.
Figura 3.2:Canal creado para simulación en Servidor OPC
Por último se le agrega un VI al proyecto anterior en el que se construye el diagrama de bloques de la figura 3.4. Como se ve en esta figura la función de transferencia de una planta multivariable es una matriz de funciones de transferencia donde la diagonal representa las relaciones directas entre las entradas y salidas que les corresponden y el resto representa las interacciones cruzadas.
En esta simulación las entradas son dos pulsos que entran a la matriz de funciones de transferencia y a los nodos de variable compartida del cliente OPC correspondientes a los Tag de entradas. Las salidas de la función de transferencia también van a los nodos de variable compartida del cliente, pero a los correspondientes a los Tags de salidas, con esto los valores de las variables pueden ser observados en los Tag del servidor y por tanto vistos en otras aplicaciones que puedan conectarse a este.
A continuación se muestran las funciones de transferencia que forman parte de la matriz de funciones de transferencia de la planta multivariable simulada. Estas funciones fueron construidas con una constante de tiempo larga para que al momento de tomar datos se tenga una cantidad suficiente para su identificación, incluso con un periodo de muestreo superior o igual a un segundo.
G11(s)=
2
15s+1 G12(s)=
1
100s+4 G21(s)=
1
180s+3 G22(s)=
2s
200s2+20s+1
En la figura 3.5 se muestran las señales utilizadas en la simulación, primero la entradau1(en azul)
la cual es un pulso de periodo 200 [s] y amplitud 1 con ciclo de trabajo del 50 %, después la entradau2(en
rojo) es un pulso de igual amplitud y periodo pero con un ciclo de trabajo del 20 %, más abajo se tiene la
saliday1(en verde) y la saliday2(en celeste) las cuales son las respuestas del sistema a las entradas antes
3.2.
Adquisición de datos
Existen variadas maneras de traspasar los datos a analizar al software Profit Suite para la posterior identificación de planta. En esta sección se mencionan dos: la adquisición de datos mediante el servidor de historización de Profit Suite y la exportación de una fuente externa en formato excell.
3.2.1.
Adquisición de datos por historizador
Lo primero que se debe hacer es abrir la aplicación URT Explorer de Honeywell, en ella se creará el cliente OPC al que se conectarán los Tags del servidor OPC a usar, una vez abierta la aplicación se verá una ventana como la de la figura 3.6.
Figura 3.6:Plataforma URT ventana principal
En la figura anterior se aprecian en la parte izquierda las plataformas existentes, en la parte de arriba se muestran las que se encuentran corriendo y abajo las que no. Para crear una nueva plataforma para la
aplicación en la ventana principal hacer click enFiley luego enNewen la pestaña correspondiente, luego se
abrirá la ventana de la figura 3.7.
Para crear una plataforma del tipo completa y con residencia en la máquina local, se debe marcar las
casillas como se observa en la figura anterior y hacer click enOK, la plataforma creada se verá como en la
figura 3.8.
Figura 3.8:Nueva plataforma creada
Una vez abierta la plataforma en la sección izquierda se tienen los bloques de función principales y en la sección derecha se muestran los parámetros de dichos bloques. El marcador gris indica que los bloques se encuentran desactivados, en la sección inferior se muestra la consola de mensajes para advertencias y errores.
Con la plataforma ya creada el siguiente paso es comenzar a agregar los bloques de proceso que harán la función de cliente OPC e historizador. Se empezará por el cliente OPC, en la nueva plataforma click
derecho en el bloqueSysSchedy en las opciones disponibles click enAppend New Item, se abrirá la ventana
de la figura 3.9(a) en ella en el item deProcess Interface Blockbuscar por elOPC Client for Data Accessy
Similarmente para el caso del bloque historizador click derecho en el bloque SysSched y en las
opciones disponibles click enAppend New Item, tal como se ven en la figura 3.9(b) en el item deSystem
Function Blocksbuscar por elCollectHistoryFBy luego hacer click enOK, en la ventana de propiedades del
bloque que se abrirá nuevamente click enOKpara finalizar la creación del bloque.
Lo siguiente es configurar el tiempo de conexión de la plataforma, hacer click enSysSchedy en la
sección derecha buscar el parámetrourtIntervaly hacer doble click en él para abrir sus propiedades, ir a la
pestañaValuey cambiar elWorking Valuecomo se observa en la figura 3.10. Configurar la plataforma para
que actualice los valores de las variables cada un segundo es suficiente.
Figura 3.10:Working Value del parámetro urtInterval
Este parámetro define el tiempo en que se actualiza el valor de las variables del cliente OPC y del guardado de datos del bloque historizador. El tiempo de conexión utilizado se eligió con la consideración de que un valor muy bajo causaría una cantidad excesiva de datos que puede afectar el desempeño de las demás aplicaciones. Otro aspecto a mencionar es que hay otras aplicaciones a usar que aceptan como intervalo mínimo de muestreo un segundo, por lo que con el valor elegido se tiene un compromiso entre cantidad de datos y velocidad de muestreo.
Luego de esto en la ventana principal de URT Explorer hacer click en el bloque principal de la
plataformaSysSchedy en la barra de herramientas en el botónToggle Function Block Statepara activarlo (o
presionar el botón F2). La activación del bloque se identifica por un cambio de color de gris a celeste en su
icono y por el cambio de estado del parámetrourtExecStateaACTIVEen letras verdes. Tras esto todos los
bloques de función deberían activarse menos el bloque historizador ya que no se tienen variables aún.
Para agregar las variables del servidor OPC a la plataforma estas deben ser creadas en un nodo dentro
del bloque principal de esta. Para empezar hacer click derecho en el bloqueSysSched y en las opciones
disponibles click enAppend New Item, en la ventana que se abra click enData Itemy luego buscarnode
list, tal como se ve en la figura 3.11(a), y hacer click enOK. Con esto se abrirá la ventana de propiedades del nodo, el nodo será nombrado “Tags” ya que luego este nombre se utilizará para buscar el nodo en otras
aplicaciones, click enOKpara acabar su creación.
(a)Creación de nodo (b)Creación de variable
Figura 3.11:Creación de variables OPC en plataforma URT
Para agregar las variables al nodo hacer click derecho en él y en las opciones disponibles click enAppend New Item, en la ventana que se abra click enData Item y luego click enscalarcomo se ve en la figura 3.11(b). Se abrirá una lista de todas las posibles variables de tipo escalar que reconoce la
aplicación, se escogeráfloatya que se requieren valores con punto decimal y signo, click enOKpara crear la
variable.
Tras lo anterior se abrirá la ventana de propiedades de la variable creada, ir a la pestañaGeneral
y darle un nombre a la variable. Se comenzará por la entrada uno de la planta multivariable de la sección anterior, se recomienda que el nombre sea el mismo que se le dio al crearla en el servidor OPC para evitar
confusiones (u1 en este caso), luego de esto ir a la pestañaConnectionsla cual se observa en la figura
En las propiedades de conexión de la variable, en la secciónInput configurar la entrada como sigue:
EnTypeseleccionar una conexión de tipo OPC.
EnServerbuscar la dirección del servidor OPC de la computadora remota.
EnTargetbuscar dentro del servidor el Tag de la variable a conectar, en la dirección del canal y el dispositivo creado en la sección anterior.
EnStore InputseleccionarAlwayspara que se almacene el valor de la variable en todo momento.
Finalmente enOverall OPC Serverbuscar nuevamente la dirección del servidor OPC en el que se
encuentra la variable a conectar. Al seleccionar el servidor OPC a conectar se recomienda cambiar el nombre de la computadora remota por su dirección IP para evitar posibles problemas de configuración, como se observa en la figura 3.12.
A continuación ir a la pestañaHistorydentro de las propiedades de la variable y en la secciónCollect
Historyconfigurar lo siguiente:
Seleccionar la opciónCollect this itempara que la variable sea historizada por el bloque de función.
EnHistorianseleccionar elEmbedded PHD, el servidor de historización embebido dentro de Profit Suite.
EnSugested Nameseleccionar el nombre que tendrá el tag dentro del servidor de historización.
En la figura 3.13 se observa la configuración antes descrita para el caso de la primera variable a
agregar, luego de esto hacer click enOKpara terminar la creación de dicha variable.
Este proceso se repite para las demás variables necesarias para caracterizar la planta multivariable simulada de la sección anterior: la entrada dos (u2), la salida uno (y1) y la salida dos (y2), tras esto la plataforma queda como se observa en la figura 3.14.
Figura 3.14:Plataforma URT con variables OPC
Tras todo esto seleccionar el bloque de función del historizador, si se encuentra desactivado hacer
click en el botónToggle Function Block Statepara activarlo (o presionar el botón F2). Luego dentro de sus
parámetros en la sección derecha de la ventana buscarUpdateConfigy hacerle doble click, ir a la pestaña
Valuey cambiar el valor de la variable aTRUE, con esto el bloque de función se actualizará y reconocerá
las variables antes agregadas con lo que aparecerán losItem IDdentro de las opciones de historización de
ellas.
Luego de activar todos los bloques de la plataforma y haber agregado todas las variables del servidor OPC se debe comenzar la historización, ir a LabVIEW y dejar correr el programa creado en la sección 3.1. Con esto los datos comenzarán a guardarse automáticamente en el servidor de historización de Profit Suite.
Para observar los datos mientras son guardados se debe abrir la aplicación Uniformance Process Studio de Profit Suite y buscar los Tags dentro del historizador para desplegar sus datos. Para esto ir a la
secciónBrowserque se observa en la figura 3.15, enData Sourceespecificar la fuente de los datos en este
casoDefaultPHDes el servidor historizador por defecto, lo siguiente es especificar que se usará el nombre
del Tag o su descripción como filtro de búsqueda para su búsqueda, a continuación enTag Nameingresamos
Figura 3.15:Extracción de datos de historizador en Uniformace Process Studio
Con lo anterior en la parte inferior aparecerán los Tags del servidor de historización que contienen los datos que están siendo y han sido guardados, tal como se observa en la figura anterior.
El siguiente paso es agregar gráficos para la visualización de los datos haciendo click en el botón New Trend(o presionar Ctrl+t) se agrega uno por cada variable, luego en el menú principal en la opción de Change LayoutseleccionarHorizontal Splitpara que se vean uno encima del otro a lo largo de la pantalla. Una vez que se tienen los gráficos vacíos en su lugar solo queda hacer click en el tag a mostrar y arrastrarlo a su gráfico correspondiente, el resultado es como se observa en la figura 3.16.
3.2.2.
Exportar datos por Excell
A diferencia del caso anterior, en que los datos se guardan automáticamente en el servidor de historización quedando listos para ser exportados, en este caso los datos se deben traspasar manualmente a un archivo Excell que debe tener un formato especifico para ser aceptado por las aplicaciones de Profit Suite.
El formato que deben cumplir estos datos se observa en la figura 3.17, la primera columna debe tener
la fecha en formato día/mes/año, la segunda columna la hora en formato hora:minuto:segundo, el resto de
las columnas representan los datos, la primera fila de cada una de estas columnas es un identificador con el
formato Tagname.Parameter/VarClass/VarType/Descriptions/Units donde:
Tagname: es cualquier palabra de 16 caracteres o menos sin espacios.
Parameter: es cualquier palabra de 8 caracteres o menos sin espacios.
VarClass: puede ser solamenteAuxoVar, donde Var son las variables principales y Aux variables auxiliares que no se pueden utilizar para la identificación pero pueden ser de interés.
VarType: puede ser solamenteMVpara las variables que son entradas a la planta,CVpara las variables
que son salidas de la planta oDVpara las perturbaciones.
Figura 3.17:Formato de datos en Excell
3.3.
Identificación de la planta simulada
Una vez que se han realizado las simulaciones y se han conseguido los datos, ya sea que se encuentren en el servidor de historización o vayan a ser exportados en un archivo externo, el siguiente paso es tomar estos datos y realizar la identificación de la planta que los genero.
3.3.1.
Creación de un proyecto en PSES
El primer paso es la creación de un proyecto nuevo en la plataforma PSES o Profit Suite Engineering Studio de Profit Suite, al abrir esta aplicación se verá una ventana como la de la figura 3.18.
Figura 3.18:Ventana principal PSES
En la figura se observa en la parte superior la barra de opciones principales del proyecto, en la sección
izquierda elProyect Explorerdonde se verán las carpetas y aplicaciones agregadas al proyecto una vez sean
creadas, en la sección derecha se tiene elTask Paneo panel de tareas y finalmente en la sección central el
área de trabajo.
El siguiente paso es agregar una aplicación al proyecto creado. Al hacer click en el icono de PSES en
la esquina superior izquierda de la ventana y luego en la opciónNew Proyect, se abrirá la ventana de la figura
3.19.
La primera aplicación que será agregada es unData Warehouseque nos permitirá exportar los datos a
utilizar para que se encuentren disponibles en las demás aplicaciones. Para esto se selecciona la plantilla para
Figura 3.19:Opciones de nuevo proyecto en PSES
Inmediatamente después de debe crear la segunda aplicación necesaria para la identificación de
plantas, la aplicaciónProfit Controller, en ella se procesarán los datos y se guardará el modelo una vez
encontrado. Para esto hacer click en el icono de PSES y luego en la opciónAdd New Applicationlo que abrirá
nuevamente la ventana de la figura 3.19, seleccionar la plantilla para crear una nueva aplicación de Profit
Controller, darle un nombre y hacer click enCreate.
Luego de lo anterior el Proyect Explorer se verá como en la figura 3.20.
3.3.2.
Exportar datos
El paso siguiente es exportar los datos al proyecto para que puedan estar disponibles en las aplicaciones que se agreguen a PSES, para esto dentro del árbol de proyecto ir al Data Warehouse y hacer doble click en All Tags, dentro del panel de tareas aparecerá la opciónData Operations.
Existen dos fuentes de datos principales: datos provenientes del servidor de historización (figura 3.21(a)) y datos provenientes de fuentes externas (figura 3.21(b)), ambas disponibles dentro de la opción Data Source.
(a)Servidor HDA (b)Archivos externos
Figura 3.21:Fuentes de datos
3.3.2.1. Datos desde OPC HDA
Si se quiere exportar los datos guardados dentro del servidor de historización se debe elegirOPC
HDAen la opciónData Sourcey luego hacer click en el botón de la derecha con lo que se abrirá la ventana
de conexión al servidor OPC HDA como se ve en la figura 3.22.
En esta ventana se configurarán las opciones de los Tags cuyos datos serán exportados al proyecto.
Para comenzar, en la opciónSystemespecificarlocalhostpara que la conexión sea en la computadora local,
luego enHDA Server Prog IDhacer click en el botón a la derecha y buscar en la nueva ventana la dirección
del servidor de historización local que es elOPC.PHDServerHDA.1y después click en el botónConnectpara
hacer una conexión con el servidor.
Lo siguiente es especificar en la opciónOPC HDA Tag Nameel nombre del Tag a agregar. Estos
nombres son los que aparecen en las opciones de conexión de los Tags en la plataforma URT bajo el nombre deItem ID, para recordarlos son los siguientes:
· $MPC.U1
· $MPC.U2
· $MPC.Y1
· $MPC.Y2
Una vez escrito el Item ID del Tag hacer click enAdd Tagpara extraerlo del servidor de historización.
Una vez extraidos todos los tag deseados falta sacar los datos necesarios de cada uno, esto se hace
especifi-cando elStart TimeyEnd Timecon la fecha y hora entre la que se encuentran los datos deseados. Luego de
esto escribir el intervalo de muestreo de los datos en la opciónIntervalque en este caso es el mismo que el
especificado en la plataforma URT, un segundo.
Finalmente hacer click en el botónFetch Datapara extraer los datos entre el periodo especificado y
luego click en el botónOkpara terminar.
Luego de extraída la información necesaria del servidor HDA para todos los tags, estos aparecerán
dentro de la ventana deData Operations. También aparecerán un par de opciones nuevas en la parte inferior
del panel de tareas, estas se ven en la figura 3.23.
Figura 3.23:Opciones de importación de datos
Dentro de estas opcionesShow Tags Previewpermite ver gráficos con los datos que acaban de ser
