WEB based process control laboratory implementation

Edgar Chacón-Montiel, Oscar Camacho* y Oscar Cárdenas

Postgrado en Automatización e Instrumentación. Universidad de Los Andes. Mérida, Venezuela. Tel.: 58-274-402891. Fax: 58-74-2402890. E-mail: ocamacho@ula.ve

Abstract

This paper describes the development and implementation of a “Web based Process Control Laboratory”, which will be part of the curricula of the Electrical Engineering School at Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela. The Laboratory uses instructional techniques throughout Web collaborative learning.

Key words: Laboratory, control, internet.

Implementación de un Laboratorio de Control de Procesos Vía Internet

Resumen

El presente artículo describe el desarrollo e implementación del “Laboratorio de control de procesos vía Internet”, el cual funcionará como complemento al laboratorio tradicional de “Sistemas de Control” en el plan de estudios de la Escuela de Ingeniería Eléctrica en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Los Andes, Mérida Venezuela. El laboratorio utiliza técnicas de aprendizaje colaborativo a través de Internet.

Para la realización de la práctica virtual, esta arquitectura es suficiente, pero para la implementación de la práctica remota se adiciona hardware de adquisición y procesamiento de datos que se describirá a continuación [2].

Se ha explotado la posibilidad que ofrece LabVIEW® para ejercer de servidor de Internet, permitiendo así a cualquier usuario autorizado acceder a la página Web de la Planta Piloto mediante un “Navegador” y poder visualizar en-línea el estado del proceso (variables, alarmas, etc) Figura 1.

Esta alternativa proporciona gran flexibilidad a la aplicación, al mismo tiempo que no ocasiona ningún gasto adicional, pues hace uso de la red de área local que ya está instalada, y además el tiempo de desarrollo de esta nueva funcionalidad es mínimo. La comunicación entre el usuario y la aplicación que se está ejecutando en el servidor, se realiza utilizando la interfaz o pasarela conocida como “Common Gateway Interfaz” (CGI).

G. Simulation and Control Toolkit® (National Instruments®)

Este es un bloque diseñado especialmente para facilitar la simulación de sistemas de control en LabVIEW®, ofrece facilidades tales como el desarrollo de modelos continuos, aquellos sistemas que se construyen a partir de las ecuaciones diferenciales, y que no se desean aproximar aun modelo lineal. Además, este bloque permite desarrollar algoritmos de control PID y modelos discretos.

NetMeeting® (Microsoft®)

Es una utilidad de comunicación de Windows® que habilita funciones de audio, video o chat sobre “Internet Protocol” o IP. Cada práctica de laboratorio incluye un forum de discusión, organiza para el fomento del trabajo colaborativo y el intercambio de información tanto escrita como de audio y video entre estudiantes, profesores y expertos que accedan a la práctica remota.

4. Implementación del Laboratorio de Control Vía Internet

En esta sección se describen dos de las cinco prácticas que se desarrollaron y se implementaron en este proyecto. Se presentan una práctica simulada y luego una remota en la cual se usa un horno para control de temperatura.

Para llevar a cabo las prácticas, en primer lugar se debe realizar el acceso al enlace que permitirá la conexión dinámica entre el PC Servidor y la página, (http://150.185.146.99/Zona.htm), con el propósito de ejecutar las prácticas desde el navegador Web

A continuación, Figuras 3 y 4, muestran algunas de las páginas que forman parte del ambiente Web. Figura 3 muestra la pagina principal, y la Figura 4 corresponde a la zona de descarga, donde están cada uno de los tutoriales de las prácticas, así como los ejecutables que se pueden llevar a cabo en este laboratorio.

4.1. Práctica Virtual

Descripción de la práctica

Se desarrolló la simulación de un tanque de reacción de agitación continua, a partir de las ecuaciones diferenciales [3], los datos del ejemplo se encuentran en las tutorías y podrán descargarse desde la página Web (http://150.185. 146.99/Zona.htm). La estrategia de control implementada es un PID, el cual controlará la temperatura del tanque a través de la manipulación del flujo del refrigerante que transita por la chaqueta. El objetivo de esta práctica es evaluar el desempeño del controlador ante cambios tanto de la consigna como de la constante de tiempo del transmisor.

En la interfaz gráfica se pueden observar los siguientes controles (Figura 5).

- Control de la acción del controlador (directa/inversa).

- Control del punto de consigna (%).

- Control de la acción proporciona (%/%).

- Control de la acción integral (s).

- Control de la acción derivativa (s).

- Control de la temperatura de alimentación al tanque (ºC).

- Control de la constante de tiempo del transmisor (s).

y se pueden observar los siguientes valores.

- Salida del transmisor (TO) (%).

- Consigna (o temperatura a fijar) (ºC).

Adicionalmente puede observarse una gráfica dinámica donde puede visualizarse la variable controlada “temperatura del reactor”.

4.2. Práctica Remota

Para la realización de esta etapa, se utilizó un sistema de control de temperatura. La razón de esta elección, se soporta en la importancia de esta variable, ya que junto con nivel, presión y flujo, constituyen las mediciones más comunes en los procesos industriales [3].

Como todo proceso real, la arquitectura implementada cuenta con los componentes que definen a un sistema de control: proceso o planta, transductor, interfaz de comunicación, controlador, actuador y la Interfaz Humano Máquina (HMI), [4], los cuales se representan en la Figura 6 y se describen a continuación.

Los equipos reales utilizados en la implementación de la práctica remota aparecen en la Figura 7, en ella aparecen el computador personal(a), todo lo referente al interfaz de comunicación (b), el actuador (c) y el horno eléctrico (d) para llevar a cabo el control de temperatura.

Planta o Proceso

Transductor

Se utiliza un termopar tipo K, cuyo rango de medición es (-100, 1200°C). Para filtrar, linealizar y amplificar la señal proveniente de este dispositivo, se emplea el módulo “FieldPoint FP-TC-120®” National Instruments®.

Interfaz de Comunicación

El módulo “FieldPoint FP-1000® de “National Instruments®” es una interfaz que trabaja por puerto serie (RS-232) y se encarga de gestionar la información entre los módulos de adquisición y procesamiento de datos y el PC. El módulo FP-TC-120® entrega su señal al PC a través de esta interfaz. El módulo FP-PWM-520® recibe la señal de control desde el PC por medio de la interfaz. Es evidente que el lazo de control se cierra en el PC.

Actuador

Para regular la energía entregada a las resistencias, se recurre la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM por sus siglas en Ingles). El arreglo consiste en un Triac y un circuito de disparo por detección de cruce por cero lo cual define un interruptor industrial de estado sólido (Intercontinental Industries® modelo SS-20-25), que es excitado por un generador de pulsos con ciclo de servicio variable. El ciclo de servicio es manipulado por la salida del controlador PID. El equipo utilizado para generar el tren de pulsos es el “FieldPoint FP-PWM-520®” de National Instruments®.

Interfaz Humano Máquina

Cuando se desea realizar la práctica localmente, el panel de control proporcionado por LabVIEW®, en el servidor, esta habilitado para interactuar con los parámetros. Sí por el contrario, se desea realizar una práctica remota, una página Web interactiva ofrecerá una imagen dinámica de dicho panel (Figura 8), desde donde se pueden invocar las funciones de la aplicación real a través de los comandos CGI.

Prelaboratorio

Desde el sitio Web, el alumno descargará un documento de Microsoft® Excel® en donde se encuentra los datos experimentales de identificación del proceso, es decir la curva de reacción real del sistema [3]. Estos datos son: base de tiempo, valor de la consigna y temperatura del horno o respuesta del sistema. A partir de esta información y con ayuda de un algoritmo desarrollado en Matlab®, el cual también se podrá descargar, el usuario deberá calcular los coeficientes correspondientes: ganancia del sistema (K), constante de tiempo del sistema (τ) y tiempo muerto (t_o).

Una vez obtenidos los parámetros de identificación, el estudiante utilizará las ecuaciones de Dahlin, o de Ziegler y Nichols [5] para calcular los valores de sintonización para un controlador PID.

Consideraciones Previas

Si el usuario que se conecta al laboratorio observa que el equipo (horno) esta desocupado, puede comenzar a desarrollar la práctica, sin el inconveniente de coincidir con otro usuario. Sí al conectarse observa que hay otro usuario, puede utilizar la herramienta conversación para preguntar sobre el progreso de las medidas y saber cuando estará disponible. También podrá interactuar de forma amena con su profesor, o simplemente observar el desarrollo de la práctica.

Una vez que el profesor apruebe los cálculos hechos en el apartado anterior, este le suministrará la clave de acceso al experimento. Por tratarse de un sistema de dinámica lenta, el horno debe precalentarse previamente por espacio de una hora o más y estabilizarse cerca del punto de operación en modo manual. Finalmente, el estudiante ingresará a la página Web que tiene los controles y realizará las siguientes actividades:

- Utilizar el control manual del punto de consigna y buscar acercarse lo más posible al valor determinado.

- Cambiar el modo de operación de manual a automático y esperar que el sistema estabilice.

Una vez realizado lo anterior, se esta listo para hacer las pruebas de desempeño, tales como: variar el punto de consigna, producir perturbaciones (abrir la puerta del horno, o variar la amplitud de la señal de potencia). Las perturbaciones serán solicitadas al técnico de laboratorio vía video conferencia (MS NetMeeting).