Conclusiones

En este documento se ha propuesto el diseño de un sistema de control de nivel para un tanque de sección constate. De acuerdo a los resultados de las simulaciones este sistema logra obedecer las indicaciones dictadas por el PLD, por lo cual sigue la señal de mando r, ajustando el valor de la altura lo más posible a la referencia. Con la implementación de la estrategia propuesta de control se puede asegurar que el tanque no sufra rebose, lo cual ayuda a incrementar los tiempos de producción en la planta y reducción de costos de producción.

Para trabajos futuros referentes a la simulación de controles de nivel con PLD, se recomienda modificar la estructura del sistema con la finalidad de simularlo utilizando un FPGA y ver las ventajas de este dispositivo en función del control utilizado.

Resultados de la Simulación

La simulación del sistema de control de nivel del tanque de sección constante utilizando programación simbólica se realizó de manera exitosa, como se puede observar en la figura 8.

Figura. 8: Simulación en diagrama simbolico realizada exitosamente

Al realizar la simulación, se demostró que tal como indica la tabla de la verdad, la salida que acciona el actuador de la válvula de control de nivel (S0) sólo se activa mientras las señales del sensor de transmisión (N) y a la señal de mando (R) estén activadas, tomando en cuenta que la señal del switche de nivel alto esté desactivada (L). También se comprueba la correcta activación de las alarmas de nivel. Ver figura 9 y 10.

Figura. 9: Resultado de la simulación donde recomprueba que la salida sigue el patrón desead, utilizando lenguaje simbólico

Figura. 10: Resultado de la simulación donde recomprueba que la salida sigue el patrón deseado, utilizando lenguaje VHDL

Simulación del Modelo

Para la simulación del sistema de control de nivel se utilizó el programa Quartus II del Fabricante Altera, con lo cual se procedió hacer la simulación en modo simbólico y luego en modo VHDL. Cuyos parámetros de simulación fueron hallados a través de las ecuaciones (4), (5) y (6), provenientes de la tabla 1. Ver figura 6, 7 y 8 respectivamente.

Después de introducir las ecuaciones booleanas del sistema de control de nivel, tanto en modo simbólico como en lenguaje VHDL, se realizó la simulación de cada lenguaje por separado, cuyos resultados se pueden observar en las figuras 9 y 10 respectivamente.

La salida S0 que tiene la función de activar el actuador de la válvula de control, sigue las instrucciones del PLD ya que sólo se activa cuando ambas señales tanto la de mando como la del sensor de nivel están activas, tomando en cuenta las alarmas de alto y bajo nivel suministrada por los switche de nivel.

Figura.6: Simulación del sistema de control de nivel en modo simbólico

Figura.7: Simulación del sistema de control de nivel en lenguaje VHDL

Con relación a los beneficios posibles de la implementación del sistema de enfriamiento propuesto, debe decirse que el uso promedio de los equipos en el sistema de riego del grano de carbonato es de 480 horas mensuales, de las cuales se utiliza un promedio de 17 horas para el riego del grano de carbonato, tiempo que se puede emplear en la producción de un lote de carbonato mensual. Con la implementación del sistema propuesto se disminuirá el tiempo del grano de carbonato en el proceso de riego, ya que no se corren riesgos de rebose del tanque, ni de excesos de riego a la mezcla. Por lo se estima que al utilizar el tiempo ahorrado en riego, con el sistema propuesto, en la producción de vidrio, se tendrá un aumento significativo en la capacidad de producción.

Figura.8: Asignación existosa de pines utilizando el Max7000s

Dispositivo Lógico Programable

Para la simulación del sistema de control de nivel se utiliza un PLD (Programmable Logic Devices) los cuales son pequeñas ASICs configurables por el usuario capaces de realizar una determinada función lógica. La mayoría de los PLD consisten en una matriz de puertas AND seguida de otra matriz de puertas OR. Mediante esta estructura, puede realizarse cualquier función como suma de términos productos.

Aunque las memorias PROM, EPROM y EEPROM son PLDs, muchas veces se las excluye de esta denominación debido a que su contenido se define utilizando elementos de desarrollo propios de microprocesadores, tales como; ensambladores, emuladores y lenguajes de programación de alto nivel. Otras veces, cuando estas memorias se usan para realizar una función lógica y no para guardar un programa de un microprocesador, se las incluye dentro del término PLD.

Dentro de la gama de PLD existentes se selecciono los CPLD ya que poseen un mayor nivel de integración, por lo cual permiten implementar sistemas más eficaces, debido a que utilizan menor espacio, mejoran la fiabilidad del diseño, y reducen costos. Un CPLD se forma con múltiples bloques lógicos, cada uno similar a un PLD. Los bloques lógicos se comunican entre sí utilizando una matriz programable de interconexiones, lo cual hace más eficiente el uso del silicio, conduciendo a una mejor eficiencia a menor costo. Ver figura figura 4.

Figura. 4: Matriz de conmutación

Entre los principales bloques lógicos de los CPLD se encuentran:

Simple PLD:

· Entradas

· Matriz de términos productos

· Colocador de términos productos

· Macro-celdas (registros)

Bloques lógicos: ejecutan expresiones de suma de productos y almacena los resultados en microceldas

Interconexión programable: establecen la ruta de señales de y desde los bloques lógicos.

Los principales recursos que presentan los CPLD son:

· Número de macroceldas por bloque lógico.

· Número de entradas de las interconexiones programables a los bloques lógicos.

· Número de término producto en los bloques lógicos

El fabricante que se escogio para trabajar con el CPLD fue Altera específicamente la familia Max 7000

Figura. 5: Diagrama de bloques del MAX 7000E y del MAX 7000S

Modelados Matemáticos

A continuación se plantean las ecuaciones que describen el sistema de control. La dinámica correspondiente a otros equipos del proceso y conexiones que se consideran despreciables.

La tabla de la verdad que describe al sistema se muestra a continuación:

Tabla. 1: Tabla de la verdad del sistema

El sistema de control posee siete variables (R, N, H, L, S0, AHL, ALL), tomando en cuenta que cuatro de esas variables son entradas (R, N, H, L).

Donde:

R: Señal eléctrica proveniente del interfase hombre maquina.

N: Señal eléctrica proveniente del transmisor de nivel.

H: Señal eléctrica proveniente del switche de nivel alto

L: Señal eléctrica proveniente del switche de nivel bajo

S0: Señal eléctrica de activación del actuador de la válvula

AHL: Alarma de alto nivel.

ALL: Alarma de bajo nivel.

Calculando los implicantes primos para obtener la ecuación booleana de S0:

Tabla 2: Implicantes primos

Criba para obtener las expresiones finales:

Tabla 3: Expresiones finales

Expresión final:

S0 = RNH' (1)

Calculando los implicantes primos para obtener la ecuación booleana de AHL:

Tabla 4: Implicantes primos

Criba para obtener las expresiones finales:

Tabla 5: Expresiones Finales

Expresión final:

AHL = HL' (2)

Calculando los implicantes primos para obtener la ecuación booleana de ALL:

Tabla 6: Implicantes primos

Criba para obtener las expresiones finales:

Tabla 7: Expresiones Finales

Expresión final:

ALL = (H'L) + (HL') (3)

Las Ecuaciones Booleanas que describen al sistema de nivel son:

S0 = RNH' (4)

AHL = HL' (5)

ALL = (H'L) + (HL') (6)

Filosofía de control

Filosofía de Control Utilizada en el tanque de Sección Constante

La estrategia de control a utilizar esta basada en un lazo de control de nivel, el cual tiene como función principal mantener la operación del equipo dentro del Set-Point ó valores de consignas seleccionados y en línea general esta estrategia previene el mal funcionamiento del equipo ante la eventual presencia del flujo tipo bache o slug flow, en esta condición de flujo, y el desbordamiento del tanque. El nivel de líquido estará por encima de la línea de entrada cuando un bache de líquido entre al tanque de sección constante o cuando los niveles de flujo excedan los limites del tanque. Por tal razón se necesita una válvula de control de líquido para controlar el nivel del tanque.

Medición y control de nivel del depósito de sección constante

El control de nivel de líquido del tanque de sección constante, se realizará a través de una válvula tipo globo, con actuador neumático (AN), cuya posición es comandada por un algoritmo de control ejecutado por una aplicación en el PLD, y cuyo punto de ajuste es establecido localmente.

El diagrama de tuberías e instrumentos y el Lazo de control se pueden visualizar en las figuras 2 y 3 respectivamente.

Figura.2: Estrategia de Control para el tanque de sección constante

Figura.3: Diagrama de bloque del lazo de control de nivel

Interruptores de nivel

Los interruptores de nivel en el tanque de sección constante tienen como función indicar una alarma de alto y bajo nivel de líquido en el tanque, para esto poseen una rápida señal de accionamiento, lo cual facilita una señal de control exacta y repetitiva. La señal de alto nivel de líquido es dada por un switche de nivel ubicado por encima de la entrada del tanque, ya que el nivel de líquido siempre debe encontrarse por debajo de dicha entrada.

La señal de bajo nivel de líquido está dada por un switche de nivel bajo, ubicado en la parte inferior del tanque. Ambas señales tanto la de nivel alto como la de nivel bajo son procesadas por el programa del PLD, el cual activa alarmas de alto o bajo nivel y toma las acciones pertinentes dependiendo del caso, como abrir o cerrar la válvula de control de nivel. El diagrama de tuberías e instrumentos se puede observar en la figura 2.

Cuando el interruptor de nivel alto está activado se abre la válvula de control de nivel, cuando se desactiva la válvula el sistema retoma la acción de control. Al activarse el switche de nivel bajo se cierra la válvula de control de líquido hasta que el nivel de líquido se encuentre a 5 cm por debajo de la entrada, luego la válvula de control de liquido vuelve a retomar la acción de control.

Aspectos de Seguridad del Sistema

• Válvula de control

Para el control de nivel en el tanque de sección constante se utiliza una válvula de control, la cual posee un actuador neumático a diafragma y resorte antagónico. Esta válvula es de falla abierta, lo cual permite que cuando falte el aire proveniente del convertidor electro neumático (I/P) la válvula se abra y deje pasar el líquido a través de esta. De esta forma se evita que si llegase a ocurrir una falla en el sistema el tanque pueda sufrir daños por exceso de líquido.

• Falla en el transmisor de nivel

El transmisor de nivel es el encargado de enviarle al sistema de control la señal que mide el nivel de líquido que posee el tanque de sección constante en un momento determinado; si este equipo llega a presentar una falla, el programa del PLD lo detectará a través de los valores que arrojen los switches de nivel, mostrando una alarma en la pantalla indicando “Falla Transmisor Nivel”. De igual forma el PLD activará una señal que abrirá la válvula de control de nivel, para evitar de esta forma cualquier daño que esta falla le pueda ocasionar al equipo.

• Falla del PLD

El PLD es el encargo de controlar el nivel de líquido del tanque de sección constante, para lograr estás funciones el PLD lee las variables que son enviadas por el transmisor de nivel, con estás variables elabora y envía las acciones al actuador de la válvula de control de nivel. De igual forma mantiene un dialogo con los operarios del equipo a través del interfase hombre maquina, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso. Si el PLD presenta una falla el convertidor electro neumático de la válvula de control no recibirá la señal proveniente del PLD por lo cual las válvulas se abrirán permitiendo el paso de líquido a través de ellas, evitando de está forma un nivel de líquido demasiado alto.

Proceso a Simular

Control de Nivel de un Depósito de Sección Constante con Regulación del Caudal de Salida.

El proceso a simular se muestra en la figura 1, el cual es un sistema de control de nivel sugerido, que consiste en un deposito de sección constante A y altura máxima 1 metro, alimentado por un caudal q_e. La salida de líquido del depósito se regula por medio de una válvula, de modo que el caudal de salida q_s depende del producto de la velocidad de escape libre del líquido v por el factor de apertura de la válvula w.

Este factor de apertura responde a la señal eléctrica proporcionada por un PLD, el cual corresponde a la diferencia entre la medida eléctrica n proporcional (Proveniente del transmisor de nivel) al nivel de líquido en el depósito h y a la señal de mando r; tomando en cuenta las alarmas de alto y bajo nivel proporcionadas por los switches de nivel.

Figura. 1: Representación esquemática del sistema de control de nivel