CONTROL DE PRESION DE AGUA MEDIANTE …

1 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD CONTROL DE PRESION DE AGUA MEDIANTE VARIADOR de frecuencia Y MOTOBOMBA JORGE ANDRES SAAVEDRA VIDAL 2007 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD CONTROL DE PRESION DE AGUA MEDIANTE VARIADOR de frecuencia Y MOTOBOMBA Trabajo de titulaci n presentado en conformidad a los requisitos para obtener el t tulo de Ingeniero de Ejecuci n en Electricidad. PROFESOR GUIA: DR. RUBEN PE A GUI EZ JORGE ANDRES SAAVEDRA VIDAL 2007 iiiAGRADECIMIENTOS A mi familia, profesores, amigos y compa eros. Y a todos los que de una u otra manera me ayudaron y motivaron a seguir adelante d a a d a. Gracias. ivRESUMEN Este trabajo presenta una estrategia de CONTROL de presi n para un sistema de suministro de agua o hidrosistema, variando la velocidad de giro de una motobomba.

2 El sistema est conformado por una motobomba Jacuzzi, un vaso de expansi n Zilmet, un PLC Modicon E984-265, un variador de velocidad Eurotherm y un sensor de presi n Gems. El error en la presi n del sistema se procesa con un controlador tipo PI, que genera la referencia de velocidad para el variador de frecuencia . Debido a la complejidad del sistema, se opt por un m todo emp rico, el m todo de la curva de reacci n de Cohen y Coon, para el dise o del controlador. La no linealidad del sistema requiri la implementaci n de un controlador con ganancia variable o "Gain Scheduling". MEDIANTE ensayos, se determin que con ocho ganancias se obten a un CONTROL satisfactorio en el rango de operaci n. Adem s, se desarroll una interfaz hombre-m quina para monitoreo y cambio de set point del sistema.

3 Se utiliz el software "Lookout", que se comunica directamente con el PLC y permite monitorear, leer y escribir datos en ste, con la ventaja que permite desarrollar ventanas m s amigables y acerca el CONTROL a usuarios sin experiencia en el uso y programaci n de PLC. La verificaci n experimental permiti corroborar la estrategia de CONTROL planteada para regular la presi n del sistema bajo estudio, observ ndose una buena respuesta din mica tanto para cambios en la referencia de tipo escal n como para rechazo de perturbaciones. v NDICE 1. Cap tulo I. Introducci n P g. 1 Introducci n General 2 Resumen 8 Estructura del trabajo de t tulo 10 2.

4 Cap tulo II. Sistema experimental 12 Descripci n del sistema 13 Componentes del sistema 16 Controlador l gico programable (PLC) 16 Conversi n Anal gica Digital 20 Conversi n Digital Anal gica 24 Variador de velocidad 26 Conjunto motobomba - vaso de expansi n 31 Sensor de presi n 33 Acondicionamiento de se al 35 3.

5 Cap tulo III. Estructura de CONTROL 36 Sistema - Diagrama de CONTROL 37 Modelaci n 39 Sistemas lineales y no lineales 40 M todo de Cohen & Coon 43 vi NDICE 4. Cap tulo IV. Resultados experimentales P g. 46 El Software Concept 50 Monitoreo con Lookout 57 Lookout 57 CONTROL y monitoreo remoto con Lookout 64 An lisis del sistema 69 5.

6 Cap tulo V. Conclusiones 75 6. Referencias 78 7. Anexo. Protocolo Modbus 80 CAP TULO I INTRODUCCI N Cap tulo I. Introducci n 2 INTRODUCCI N INTRODUCCI N GENERAL Para entregar un suministro de agua o alg n otro fluido de manera controlada se puede optar por una de dos alternativas de CONTROL que son: caudal constante o presi n constante, siendo lo m s habitual el suministro a presi n constante. Ejemplos de sistemas que funcionen a presi n constante existen muchos, siendo el obvio el sistema utilizado por las compa as de agua potable, que mantiene el agua a una presi n relativamente constante en todos los grifos y llaves de agua de la ciudad.

7 El desarrollo de las ciudades ha llevado al hombre a construir grandes edificios, los que necesitan contar con sistemas independientes que mantengan una presi n m nima en el ltimo piso. As mismo barcos y sectores alejados de la ciudad necesitan contar con sistemas propios que suministren agua a presi n constante, ya sea para regad o, aseo, refrigeraci n o consumo humano. Una manera de lograr presi n constante es almacenando l quido en altura, para que sea el propio peso del agua el que le otorgue la presi n requerida. En estos sistemas el CONTROL es del tipo ON-OFF , el sistema est conformado por un estanque en altura, una o m s motobombas y sensores de nivel. De esta manera se desea que el l quido se mantenga dentro de un cierto rango de niveles, obteniendo Cap tulo I. Introducci n 3finalmente una banda de presiones a la salida del sistema.

8 Este sistema se muestra en la figura , donde las flechas indican el sentido del agua en todo el diagrama. Figura CONTROL de presi n MEDIANTE CONTROL de nivel. En esta figura, 1 representa un estanque desde el cual extrae agua la motobomba. En la pr ctica este estanque podr a ser un pozo o un r o. En 2 se representa la motobomba, que es la encargada de mantener el nivel de agua del estanque 3. El estanque 3 se encuentra en altura, y es esta altura la que proporciona la presi n que es contenida por la v lvula 4, que permite controlar el caudal deseado. Entre las desventajas de este sistema se encuentran la necesidad de un estanque de almacenamiento y el hecho de la o las bombas act an la mayor parte del tiempo en r gimen intermitente. Cap tulo I. Introducci n 4 Otras formas de obtener presi n constante son las estrategias conocidas como estrangulaci n y recirculaci n.

9 En ambas la motobomba funciona permanentemente como si estuviera enfrentada a m xima demanda, independiente del valor real de sta. La estrategia de estrangulaci n se muestra en la figura El estanque mostrado como 1 representa la fuente desde la cual se extrae el agua, ste generalmente ser un pozo o un r o. La motobomba identificada como 2 impulsa el agua a trav s de las ca er as en el sentido indicado por las flechas. En 3 y 5 se muestran los sensores de presi n, que miden antes y despu s de la v lvula que se muestra en 4. Evidentemente existe un controlador, que no se muestra en la figura, en el que se establece una referencia de presi n. Esta presi n debe ser alcanzada en el sensor 5, si el valor es mayor al deseado, se ordena cerrar parcialmente la v lvula 4 para producir una ca da de presi n entre 3 y 5.

10 Como es posible apreciar, el sistema funciona con la motobomba en r gimen permanente y s lo es capaz de disminuir la presi n MEDIANTE p rdidas en la v lvula. Cap tulo I. Introducci n 5 Figura Estrangulaci n de presi n. Es importante destacar adem s que en este sistema la v lvula y las ca er as son cr ticas y deben estar dise adas para soportar la presi n entregada por la motobomba. Por otra parte, la estrat gia de recirculaci n de flujo, se muestra en la figura En esta figura tambi n se omiti el controlador, pero se asume que ste existe. El diagrama es bastante similar al esquema anterior de estrangulaci n de presi n. En el esquema, 1 simula un pozo o alguna fuente de agua sin presi n. En 2 se muestra la motobomba encargada de suministrar la presi n al sistema y de impulsar el agua en el sentido de las flechas. En 3 y 4 se muestran los sensores de presi n y en 5 se muestra la salida del sistema, mientras 6 representa una v lvula controlada.