Enseñanza de Ingeniería Armfield

TECNOLOGÍA DE CONTROL DE PROCESOS

PCT23 MKII Sistema de entrenamiento para plantas de proceso - Versión 3

Gracias al sistema didáctico de plantas de procesos que le ofrece Armfield, podrá demostrar una amplia gama de estrategias y métodos de control de procesos: desde el control manual o los bucles de regulación por reacción individuales hasta los sofisticados bucles en cascada, pasando por el control distribuido de todo el proceso desde un equipo remoto. Este sistema reproduce procesos reales de producción a pequeña escala; al estudiante se le presentarán problemas cotidianos en el control de procesos, acompañados de las inestabilidades y los comportamientos dinámicos propios de los mismos.

Especificación para pedidos

• Sistema didáctico de escritorio de plantas de procesos con varios flujos, tanto con interacción como sin ella. La planta de procesos incorpora un intercambiador de calor de placa de 3 etapas en miniatura conectado a un sistema de recirculación de agua caliente, dos depósitos de alimentación independientes, un tubo de retención con válvula de desvío de producto y dos bombas peristálticas de velocidad variable.

• Compatibilidad con bucles de control de temperatura, nivel, flujo y conductividad.

• Permite demostrar el efecto de 'tiempo muerto' y reciclado de calor.

• Medición y control de la planta de procesos gracias a una consola eléctrica que permite diversas técnicas, como el funcionamiento manual o el control de encendido y apagado, así como desde una señal externa y desde un PC o PLC.

• El equipo incorpora un sistema para la simulación y el control de fallos eléctricos, software de registro de datos y una interfaz USB para su conexión a un ordenador.

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Funciones

> Varios sensores, entradas y estrategias de control
> Compatibilidad con bucles de control de temperatura, nivel, flujo y conductividad
> Demostración de los efectos del 'tiempo muerto'
> Secuenciación operativa, desde el inicio hasta el apagado
> Repercusiones del reciclado en el control de procesos
> Encendido y apagado, dosificación, PID, PLC y SCADA
> Diagnóstico y simulación de fallos
> Incluye interfaz USB y un sofisticado software didáctico y de registro de datos

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DESCRIPCIÓN

Sistema didáctico de plantas de procesos PCT23 MKII

El PCT23MkII es un completo sistema de control de procesos de escritorio, compuesto de una unidad montada sobre un soporte ABS, una consola eléctrica de mando y software de control compatible con cualquier equipo Windows a través del puerto USB.

 

 

a) Unidad de procesos:

El proceso se basa en un proceso industrial de pasteurización HTST (alta temperatura - corta duración). En él, el flujo de producto tiene que mantenerse a una temperatura predeterminada durante un periodo mínimo de tiempo, normalmente por motivos propósitos bacteriológicos. Esto se consigue mediante el uso de un tubo de retención que retarda el flujo de producto y, por tanto, plantea problemas especiales de control de procesos e ilustra la idea de 'tiempo muerto'.

Otra de las razones por las que el sistema HTST es especialmente adecuado para la enseñanza del control de procesos es su intercambiador de calor de tres etapas (reciclado, calentamiento y enfriamiento) y su válvula de desvío para rechazar cualquier producto que no haya recibido el tratamiento correcto. Estos importantes principios industriales también plantean problemas reales de control de procesos y ayudan a mantener el interés de los estudiantes.

Gracias a sus dos depósitos de alimentación, equipados con distintos tipos de sensor de nivel, es posible ilustrar otros problemas que se plantean en el control de procesos.

El llenado y el vaciado de estos depósitos se controla a través de válvulas de solenoide, que permiten desarrollar estrategias de control a diferentes niveles y posibilitan la secuenciación operativa de arranque y parada.

La unidad incluye una amplia gama de instrumentos para la medición de temperaturas y caudales. Incluye también un sensor de conductividad, lo que permite realizar sencillos experimentos de concentración de procesos.

La unidad consta de:

> Sistema de alimentación con bomba peristáltica
> Unidad de calentamiento de agua con bomba peristáltica
> Sistema de refrigeración por agua
> Intercambiador de calor de placa con tubo de retención
> Sensor de caudal en la línea de alimentación
> Sensor de conductividad
> 4 sensores de temperatura; sensor de nivel en el depósito de producto
> Interruptores de nivel alto y bajo en el depósito de lavado y reactivo
> Válvulas de solenoide de 2 vías para el llenado de los depósitos de alimentación y el envío de agua de refrigeración al intercambiador
> Válvulas de solenoide de 3 vías para seleccionar el depósito de alimentación y desviar el producto sobrante
> Conexiones con la consola eléctrica

b) Consola de control:

La consola de control proporciona la interfaz eléctrica y el condicionamiento de la señal para el módulo de proceso. También incluye una interfaz USB para equipos Windows. Las salidas de los sensores del módulo de proceso pueden mostrarse en unidades de ingeniería en una pantalla LED integrada. Las salidas también están disponibles para la supervisión externa.

Pueden seleccionarse diversas opciones para las señales de control enviadas al módulo de proceso: control manual desde el panel frontal, control desde un PC a través del USB, control de encendido y apagado desde una fuente externa (por ejemplo, el PLC PCT19BR de Armfield), o control analógico desde una fuente externa (como el PID PCT20H). Las señales de origen tanto para las bombas como para el calentador se pueden seleccionar individualmente.

Además, es posible generar fallos eléctricos en cualquiera de las señales de medición o control de baja tensión mediante un emulador instalado en la consola eléctrica. Dichos fallos pueden generarse de forma individual o combinada, en función del nivel de conocimientos de los estudiantes. Las conexiones de acoplamiento rápido usadas en todo el proceso permiten la generación de fallos en los tubos de proceso.

La unidad consta de:

> Control de velocidad de la bomba de alimentación de producto
> Control de velocidad de la bomba de fluido de calentamiento
> Control y medición de la potencia del calentador
> Medición de temperatura (x 4), caudal, nivel y conductividad
> Entradas/salidas digitales (desde los interruptores/a las válvulas de solenoide)
> Conexión simultánea de todas las señales al PLC PCT19BR mediante un conector IDC de 50 vías o a un PC a través del puerto USB
> Conectores en el panel frontal para la conexión de accesorios, particularmente controladores industriales y registradores sobre cinta de papel

c) Software:

El equipo básico incluye un avanzado paquete de software educativo que instala las funciones de control. En este se muestra un diagrama esquemático del proceso en tiempo real, e incluye algoritmos de control PID, con control del usuario para los parámetros clave. Además, propone diversos ejercicios predefinidos para los estudiantes, como acciones y reconocimientos de alarmas, así como varios bucles PID individuales, múltiples y en cascada.

El software cuenta con una avanzada tecnología de registro de datos y visualización gráfica que puede utilizarse incluso cuando las señales de control son derivadas de forma externa o manual. Los datos pueden guardarse y recuperarse, o bien exportarse en formato Microsoft® Excel.

Por otra parte, el software incluye una serie de pantallas de presentación que le facilitarán tareas como el uso y la configuración del equipo o el análisis de los resultados, entre muchas otras, prestaciones que vienen respaldadas por un completo sistema de ayuda.

Los usuarios avanzados pueden crear su propio software de control, si lo desean, usando paquetes tales como Labview, MatLab o C. Esto es posible usando la interfaz USB del PCT23, puesto que el controlador de software de bajo nivel (DLL) es accesible y se proporcionan instrucciones sobre la interfaz.

Para usuarios más avanzados, el PLC PCT19BR cuenta con un paquete de software opcional (cuyo código para pedidos es PCT23SCADA) que permite realizar demostraciones de sistemas SCADA y gracias al cual el PLC controla el proceso y extrae los datos a través de una conexión RS232. A continuación, los datos del PLC se muestran en el diagrama esquemático y se asigna al PC el papel de supervisor de la instalación SCADA.

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Ejercicios didÁcticos prÁcticos

El sistema didáctico de plantas de procesos PCT23MkII se ha diseñado con la finalidad de abarcar materias que van desde una introducción básica al control de procesos hasta demostraciones de las técnicas más avanzadas, incluido el uso de modelos matemáticos en línea.

Ejercicios didácticos PCT23

> Control de planta mediante PC
> Calibración de sensores
> Dinámica de procesos I
- Calentamiento directo
- Intercambio de calor indirecto
- Tiempo muerto
- Cambios de paso
- Pérdidas de calor o eficiencia

> Dinámica de procesos II
- Interacciones entre bucles
- Regeneración térmica
- Enfriamiento indirecto
- Comprensión del ciclo de proceso y sus repercusiones

> Control digital directo mediante PC
- Control PID de nivel
- Control PID de caudal
- Control PID de temperatura
- Control PID de conductividad
- Control PID indirecto de temperatura
- Control PID indirecto con tiempo muerto
- Control PID con incidencias producidas por alarmas
- Optimización del controlador
- Optimización del controlador con tiempo muerto
- Control en cascada de dos bucles
- Control de dos bucles e interacciones
- Control de tres bucles

> Diagnóstico y detección de fallos

Ejercicios didácticos mediante controladores externos

> Uso de controladores externos*
- Configuración del controlador para nivel, caudal, temperatura y conductividad
- Control de encendido y apagado
- Control de tiempo proporcional
- Control PID proporcional
- Funciones de alarma
- Comparación de requisitos de control
- Ajuste manual de controladores PID
- Ajuste automático de controladores PID
- Introducción a SCADA

> Control PID mediante PLC**
- Presentación de la lógica en escalera
- Un bucle PID, dos bucles PID, alarmas

> Secuenciación de operaciones de planta mediante PLC con SCADA**
* Es necesario un controlador industrial PID PCT20H de Armfield
** Es necesaria una unidad industrial PLC PCT19BR de Armfield

Control avanzado de procesos:

Este equipo resulta también idóneo para operaciones de control de procesos más avanzadas, así como tareas de proyectos e investigación.

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Tareas prÁcticas especÍficas

Sistema didáctico de plantas de procesos PCT23MkII
(PC con software Windows® suministrado por el usuario)

1a) Control manual y utilización del software exclusivamente para tareas de supervisión y adquisición de datos:

i) Familiarización con diagramas esquemáticos de gráfico de flujo en pantalla para la supervisión de variables de proceso: nivel, temperatura, caudal, conductividad y potencia

ii) Comprensión de las repercusiones que los cambios en variables de proceso (como las de caudal) tienen en el resto de variables (por ejemplo, las de temperatura)

iii) Medición de las respuestas a los cambios de paso: por ejemplo, caracterización del tanque de agua caliente como sistema de primer orden; del tubo de mantenimiento como 'tiempo muerto'; y del intercambiador de calor de placas como una combinación de ambos tipos de sistema (Fig.1)

iv) Descarga de datos a una hoja de cálculo (suministrada por el usuario) para su posterior análisis

 

1b) Control automático y utilización del software para tareas de control; configuración y estudio de:

i) PID de un solo bucle donde la temperatura del agua caliente controla la potencia suministrada al calentador

ii) PID de un solo bucle donde la temperatura del producto controla la potencia suministrada al calentador

iii) el efecto de sumar al bucle de control individual el tiempo muerto del tubo de retención

iv) el efecto de reciclar el producto calentado a través del intercambiador de calor por acción de control (Fig.2)

v) el efecto que tiene sobre la acción de control la inclusión de una válvula de desvío activada por alarma

vi) control en cascada, donde la temperatura del producto controla el punto de ajuste de la temperatura del agua caliente que, a su vez, controla la potencia del calentador

vii) control con múltiples variables: control del caudal del flujo de producto, donde la temperatura del producto controla el caudal de agua caliente y la temperatura del agua caliente controla la potencia del calentador (Fig.3)

viii) simulación de fallos y diagnóstico, con señales seleccionadas anuladas por el instructor

Fig 1: Respuestas de temperatura de bucle abierto a un cambio de paso (en potencia). Aplicación de un método de curva de reacción para obtener una configuración P+I+D idónea para una temperatura de proceso (T₁, T₂ y₄) a fin de controlar la potencia suministrada al recipiente de calentamiento.

T₁ = Temperatura de proceso tras tubo de retención
T₂ = Temperatura del agua caliente en circulación
T₃ = Temperatura de proceso antes del tubo de retención

 

Fig 2: Control del consumo energético con y sin bucle de reciclado. La temperatura de producto T1 regula la potencia (PWR).

 

 

 

 

Fig 3: Bucle dual con software Windows - La temperatura de producto T₁ controla el caudal de circulación de agua caliente - La temperatura de agua caliente T₂ controla la potencia del calentador (Obsérvese la reacción de T₁ y T₂ con PWR como resultado del cambio predeterminado en T₁ [hasta 50 °C y, a continuación, se produce un descenso de 50°C]).

 

Sistema didáctico de plantas de procesos PCT23MkII
con un solo controlador PID industrial PC20H

2a) Todos los estudios de bucle individual relacionados en 1b) i) a v), donde el controlador PCT20H conectado al panel frontal de la consola del PCT23 (también encendido/apagado y control PID proporcional al tiempo) configura y realiza las acciones de control.

El software PCT23 puede utilizarse también para registrar
en línea los datos de la planta en un PC (Fig.4)

2b) Supervisión mediante software de PC del controlador industrial: introducción a SCADA con comunicaciones en serie entre el PC y el controlador

2c) Bucles únicos alternativos: incluido control de nivel, caudal y conductividad, así como bucles alternativos de control de temperatura. En relación a cada uno de los bucles únicos de control anteriores, es posible realizar ejercicios prácticos sobre los siguientes temas:

> Control de encendido y apagado
> Configuración
> Valores P, I y D. Ajuste del controlador para un rendimiento óptimo
> Transferencia automática y manual
> Ensayos de estabilidad

Fig 4: Respuesta de bucle cerrado individual mediante controlador industrial PID PCT20H. Temperatura de producto donde el tubo de retención (T₁) regula la potencia del calentador (PWR) (configuración P+I óptima de Fig.1)

 

 

Sistema didáctico de plantas de procesos PCT23MkII
con dos controladores PID industriales PC20H

3a) Control en cascada al igual que en el ejemplo 1b) vi) utilizando los controladores conectados a la planta en lugar del control directo de PC

3b) Control con dos entradas y dos salidas, donde la temperatura del producto controla la bomba de alimentación y la temperatura del agua caliente en circulación controla la potencia suministrada al calentador. Esta variante permite demostrar el control de la 'interacción'.

3c) Control de alimentación directa, donde el caudal de producto controla la velocidad de circulación del agua caliente y la potencia del calentador está controlada por la temperatura del agua caliente

Sistema didáctico de plantas de procesos PCT23MkII
con una sola unidad PLC industrial PC19BR

4a) Conexión de PC a un proceso

4b) Uso de la lógica en escalera para configurar tareas de control y supervisión (es necesario un PC)

4c) Estudios de control de bucle individual: encendido/apagado y PID

4d) Ajuste de alarmas en combinación con bucles de control PID

4e) Estrategias de control de dos bucles al igual que en 3b)

4f) Uso de entradas y salidas digitales: alarmas y acciones de válvulas de control.

Además, hay disponible un paquete de software SCADA (cuyo número de referencia es PCT23SCADA) que, en combinación con PCT23 y PLC PCT19BR, permite realizar estudios de los siguientes procesos:

4g) Operación SCADA punto a punto a través de un PC (que deberá facilitar el usuario)

4h) Secuenciación de operaciones de planta: posibilidad de montaje de una secuencia de 5 etapas
> Llenado de tanques, precalentamiento
> Procesado con calor
> Llenado del tanque de lavado
> Lavado

Esta secuencia puede realizarse bien mediante el PLC PCT19BR únicamente o bien en una operación SCADA desde el PC con visualización de un diagrama esquemático de la secuenciación.

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CaracterÍsticas tÉcnicas

Características de seguridad

Interruptor diferencial en la consola; protección de todos los circuitos con por microdisyuntores; operación a 24 V de CC de las válvulas de solenoide y los motores de las bombas

Recipiente de calentamiento:
> Límite de temperatura máxima del termostato
> Interruptor de bajo nivel
> Orificio de ventilación para evitar la presurización

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Accesorios bÁsicos

PC:

(requisitos mínimos)

Procesador Pentium o similar
16 Mb de RAM
10 Mb de espacio en disco duro
Pantalla SVGA
Puerto USB
Unidad de CD-ROM
Microsoft Windows

Este ordenador no forma parte del equipo proporcionado por Armfield

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Accesorios opcionales

Códigos de pedido:

PLC PCT19BR: Unidad PLC industrial

Unidad PLC que incorpora un sistema Allen Bradley SLC500 completo con software patentado de configuración de lógica en escalera (es necesario un PC, que deberá ser suministrada por el usuario). Dicho software viene preconfigurado de fábrica para un sistema de dos bucles de control con entrada y salida analógica, optimizado para el sistema didáctico de plantas de procesos PCT23 (esta configuración puede modificarse mediante un PC).

PCT23SCADA: Software SCADA

Este software incluye las funciones necesarias para demostrar procesos SCADA mediante los sistemas PCT23 y PLC PCT19BR.

Incluye:

> Rutinas de lógica en escalera SLC500 diseñadas específicamente para el sistema PCT23

> Las funciones de comunicación necesarias para que el software PCT23 muestre y registre los parámetros SLC500

> Ejercicios adicionales para el sistema PCT23, que permiten demostrar procesos SCADA al igual que el resto de ejercicios

PCT20H: Controlador PID Industrial

Controlador PID que incorpora una unidad Honeywell de la gama UDC3300 con entrada y salida de tensión/mA para configuraciones de alarma y control de bucle único. Se suministra un paquete de software en disco donde se demuestran los principios básicos de SCADA y que permite conectarse en línea al controlador PID a través de un PC.

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Requisitos

Suministro eléctrico:

PCT23MkII-A: 220 - 240 V, monofásico, 50 Hz
PCT23MkII-B: 120 V, monofásico, 60 Hz
PCT23MkII-G: 220 V, monofásico, 60 Hz

Suministro

de agua fría: 4 litros/min. a 2 bares

PC (consulte el apartado Accesorios básicos)

Este ordenador no forma parte del equipo proporcionado por Armfield

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EspecificaciÓn de transporte

Volumen: 1.2m³
Peso bruto: 167kg

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Dimensiones totales

Dimensiones	Unidad de procesos	Consola
Altura:	550mm	280mm
Anchura:	1000mm	425mm
Profundidad:	530mm	400mm

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Garantía del producto Todos los productos Armfield se suministran con una Garantía Extendida de dos años

HOJA DE DATOS

CATEGORÍA DEL PRODUCTO:
Enseñanza de Ingen iería