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6TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (VI CIBELEC 2015)
Implementación de un Toma Muestras Automático en la
Línea de Descarga de los Tanques 0003-TK-1101/02 de
la Planta Deshidratadora y Desaladora (PDD) de
Petrolera Sinovensa en Morichal, Edo. Monagas
Angel Eduardo Granado
Resumen— En este trabajo se presenta la Implementación de un
Toma Muestras Automático (TMA), el cual permite obtener una
muestra representativa del crudo a la condición operacional de la
línea de descarga de los tanques 0003-TK-1101/02 de la Planta
Deshidratadora y Desaladora (PDD) de Petrolera Sinovensa en
Morichal, Edo. Monagas. Se procedió a realizar la instalación y
conexionado eléctrico de todos los elementos del TMA, se
realizaron pruebas de aceptación en sitio. Este TMA es de gran
importancia para Petrolera Sinovensa, ya que su aplicación ayuda
a mantener los niveles de calidad del producto final. Este TMA es
un desarrollo nacional que aumenta el patrimonio tecnológico de
Venezuela y brinda la oportunidad de no limitar las opciones con
sistemas importados de protocolos cerrados que generan
dependencia de un fabricante extranjero a la hora de realizar
mantenimientos y nuevas procuras.
Palabras claves— Control Remoto, Muestra Representativa,
PLC, SCADA, Toma Muestra Automático.
I. INTRODUCCIÓN
La industria petrolera representa el 80% de la economía
venezolana. Esto quiere decir que las mediciones fiscales que
se realizan para generar los aportes al tesoro nacional deben
poseer la menor incertidumbre posible. Por esta razón, cada
día aumenta la necesidad de controlar esta medición de
volúmenes de hidrocarburos.
Dentro de la industria petrolera, en la medida en que se
vende, compra o transfiere hidrocarburos, existen dos
elementos claves que deben ser determinados; estos son la
Cantidad y la Calidad.
La Planta Deshidratadora y Desaladora (PDD) de PDVSA
(Petróleos de Venezuela S.A.) Petrolera Sinovensa Morichal
se encarga de acondicionar el crudo diluido mojado que
proviene de la Estación de Flujo (EF) de PDVSA Petrolera
Sinovensa para obtener un crudo diluido seco con un volumen
del porcentaje agua (corte de agua) menor al 1%, salinidad de
28.5 ppm (partes Por millón) y un promedio de gravedad
Artículo recibido el 10 de Diciembre de 2014. Este artículo fue financiado
por PDVSA Petrolera Sinovensa.
A.E.G. está con la Universidad Nacional Experimental Politécnica
“Antonio José de Sucre”, Vicerrectorado Puerto Ordaz, Dirección de
Investigación y Postgrado, Puerto Ordaz, Estado Bolívar, Venezuela, Tlf.
+58-416-7866957, E-mail: [email protected]
especifica de 0.959 (16°API o American Petroleum Institute)
[1].
Los toma muestras automáticos son utilizados en la industria
petrolera para recolectar y almacenar una muestra
representativa del crudo a la condición operacional del
oleoducto, y permitir su transporte al laboratorio para su
análisis. Entre estos estudios de laboratorio se encuentra el
cálculo de porcentaje de volumen de agua, salinidad, y
promedio de gravedad específica, los cuales son
especificaciones indispensables para determinar la calidad del
producto [2].
Según el manual de estándares de medición de petróleo del
Instituto Americano de Petróleo [3], un sistema de muestreo
automático típico consiste de un acondicionador de flujo
corriente arriba de la ubicación del muestreador (Sonda de
Muestreo), un dispositivo para extraer físicamente una porción
de muestra de la corriente de flujo, un dispositivo de medición
para la dosificación de flujo, un medio para controlar el
volumen total de la muestra extraída, un receptor de muestra
para recoger y almacenar las porciones y, dependiendo del
sistema, un sistema de mezclado/recepción de muestra.
Las porciones de muestra deben obtenerse en proporción al
flujo. Sin embargo, si la tasa de flujo durante el tiempo de
entrega total de la parcela (semana, mes, día.) varía menos del
±10% de la tasa de flujo promedio, puede obtenerse una
muestra representativa mediante un control de las porciones
proporcional al tiempo [4].
La frecuencia óptima de muestreo es el máximo número de
porciones de muestra que puedan ser obtenidas de alguna
parcela, operando dentro de los límites del equipo en cuanto a
la frecuencia de la toma de muestra y el volumen de la
porción. La muestra final debería ser de volumen suficiente
para mezclarse y analizarse apropiadamente sin sobrellenar el
receptor de muestra [5].
II. DESCRIPCIÓN GENERAL
El modelo de toma muestras automático está compuesto por
diferentes equipos de instrumentación, control, y
telecomunicaciones, los cuales son utilizados para recolectar
las muestras y monitorear la funcionalidad y permisivos del
sistema. Entre estos equipos se encuentran sondas de muestreo
con sus respectivos actuadores,
transmisores de flujo,
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conmutadores de nivel, controlador lógico programable (PLC
= Programmable Logic Controller), interfaz hombre-máquina
(IHM), radios industriales, y conmutador ethernet industrial.
El modelo de toma muestra automático que se presenta en
este trabajo funciona de la siguiente manera: El operador
mediante un IHM introduce la frecuencia de la prueba (ej.: 50
barriles por día o BPD) y el tiempo total de la prueba (12
Horas), y luego dará inicio a la prueba o muestra
representativa. El controlador se encargará de calcular el
número de muestras requeridas y el tiempo de muestreo para
que la muestra final sea representativa de acuerdo al flujo o
tasa de bombeo que se está desplazando por la línea (ej.:
160000 BPD) y el tiempo total de la prueba. Los datos de flujo
se obtienen mediante transmisores de flujo aguas abajo de la
sonda de muestro del toma muestras automático. Dichos
transmisores de flujo están gobernados por un PLC externo y
se comunican con el PLC del toma muestras automático
mediante un enlace de radio implementado en la red de control
de PDVSA Petrolera Sinovensa.
En la Fig. 1 se muestra la descripción gráfica del
conexionado de los elementos asociados al equipo mencionado
anteriormente.
FIG. 1. Diagrama de Toma Muestras Automático Diseñado.
En la Fig. 2 se muestra el diagrama de bloques del modelo
de toma muestras automático y su interconexión con el sistema
de control existente.
FIG. 2. Diagrama de Bloques del Modelo de Toma Muestras
Automático.
III. IMPLEMENTACIÓN
A. PLC e IHM
La lógica de control del PLC fue desarrollada en lenguaje
de escaleras usando el software de programación RSLogix
5000 de Rockwell Automation. Dicha lógica de control
funciona de la siguiente manera: Inicialmente, se encuesta la
variable asociada a la derivación del transmisor de flujo, si la
derivación está activado entonces se tomara como flujo el
valor introducido por el operador en el IHM o SCADA
(Supervisory Control And Data Acquisition o Supervisión,
Control y Adquisición de Datos), si la derivación esta
desactivado se tomara como flujo el valor proveniente del
transmisor de flujo. Esta derivación es utilizada en caso de
tener problemas técnicos con el transmisor de flujo o
problemas técnicos con la comunicación vía radio entre el
PLC del toma muestras automático y la red de control de
PDVSA Petrolera Sinovensa. Como segundo paso, se calcula
el número de muestras requeridas para la prueba dividiendo el
flujo entre la frecuencia de muestreo introducida por el
operador en el IHM o SCADA. Este valor obtenido se
compara con el máximo número de muestras que puede
resguardar el recipiente (8000 muestras o 8000 mililitros).
Luego se convierte el tiempo de la prueba introducido por el
operador en el IHM o SCADA de horas a milisegundos.
Finalmente se calcula el periodo de muestreo dividiendo el
tiempo de la prueba entre el número de muestras obtenido
anteriormente. Dicho periodo de muestreo debe ser igual o
mayor a 3 segundos debido a que el fabricante de la sonda de
muestreo recomienda que el tiempo de energización del
solenoide deba ser por lo mínimo 2,8 segundos para garantizar
una muestra de 1 mililitro del flujo que pasa por la línea
La lógica de control del IHM fue desarrollada mediante
despliegues gráficos usando el software de programación
FactoryTalk View ME de Rockwell Automation.
En la Fig. 3 se puede observar el despliegue asociado a la
rutina principal, el cual permite al operador navegar entre los
despliegues de estatus y configuración de los toma muestras
automáticos. En este caso se tiene como Toma Muestras 1101
la sonda de muestreo asociada a la línea de descarga del
tanque 0003-TK-1101, y se tiene como Toma Muestras 1102
la sonda de muestreo asociada a la línea de descarga del
tanque 0003-TK-1102.
En la Fig .4 se puede observar el despliegue de estatus de
los toma muestras automáticos asociados a los tanques 0003TK-1101/2. En estos despliegues el operador monitorea los
parámetros de las pruebas, los cuales son: número de muestras
transcurridas, número total de muestras de la prueba, periodo
de muestreo (minutos), tiempo restante de la prueba (minutos),
flujo o tasa de bombeo que se está desplazando por la línea,
estado de la sonda de muestreo, y alarmas por alto nivel en el
recipiente. Adicionalmente, a través de estos despliegues el
operador puede navegar hacia los despliegues de pantalla de
inicio, configuración de pruebas, historial de alarmas, y
derivación de transmisores de flujo.
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En la Fig. 6 se muestra el gabinete de control ensamblado en
su totalidad. En dicho gabinete se encuentra instalado el
controlador (PLC), terminal gráfico (IHM), un radio industrial
para la comunicación remota con el SCADA existente.
Adicionalmente se instaló un conmutador ethernet industrial
para la interconexión de los equipos mencionados
anteriormente.
FIG. 3. Despliegue de Pantalla de Inicio del IHM.
FIG. 6. Gabinete de Control del Toma Muestra Automático.
En la Tabla I se describen todos los equipos instalados en
dicho gabinete de control.
TABLA I
EQUIPOS INSTALADOS EN GABINETE DE CONTROL.
FIG. 4. Despliegue de Estatus de Prueba.
En la Fig. 5 se puede observar el despliegue de
configuración de los toma muestras automáticos asociados a
los tanques 0003-TK-1101/2. En estos despliegues el operador
introduce la frecuencia de la prueba (BPD), el tiempo total de
la prueba (Horas), y puede dar inicio, parada, y reinicio de la
prueba.
Fabricante
Numero de
Parte
AB
AB
AB
1756-A4
1756-L72
1756-EN2T
AB
AB
AB
1756-IB16I
1756-OB16I
1756-PA75
AB
N-TRON
1606XLS240E
2711PT6C20A8
105TX-SL
PROSOFT
RLX-IHW
AB
Descripción
Chasis de 4 Slots
Procesador ControlLogix
Módulo de Comunicación
Ethernet/IP
Módulo de Entradas Digitales
Módulo de Salidas Digitales
Módulo de Fuente de Poder
de Chasis
Fuente de Poder de
Instrumentación
Terminal Gráfico (IHM)
Conmutador Ethernet de 5
Puertos
Radio Industrial RadioLinx
En las Fig. 7 se pueden observar los despliegues del IHM
utilizados por los operadores para el monitoreo y control local
del Toma Muestras Automático.
FIG. 5. Despliegue de Configuración de Prueba.
B. Instrumentación
El modelo de toma muestra automático propuesto posee dos
(2) Sondas de Muestreo de fabricante Welker y serie LSM.
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Estas sondas de muestreo (Nº de parte: LSM-6FAI) permiten
extraer una muestra isocinética de crudo de una línea o tubería
correctamente acondicionada. El actuador de este tipo de
sonda de muestreo trabaja con un pistón neumático de doble
acción a 120 psi (827.3 kPa); cuando el solenoide de la
válvula de 4 vías y 3 posiciones es energizado, el pistón sube
ocasionando un efecto de succión en el interior de la sonda de
muestreo; este efecto logra obtener una muestra del fluido (1
mL) de la línea principal, el cual es depositado en los
contenedores de la muestra representativa. Luego de que el
solenoide de la válvula de 4 vías y 3 posiciones es
desenergizado, el pistón vuelve a su estado normal. Ambas
acciones del pistón (subida y bajada) deben realizarse con un
mínimo de tiempo de dos (2) segundos, según el fabricante. En
la Fig. 8 se describe la instalación típica de la Sonda de
Muestreo LSM mencionada anteriormente.
respectivo análisis.
FIG. 9. Sondas de Muestreo instaladas en Sitio.
FIG. 10. Recipientes de Muestras Representativas.
C. Enlace de Radio
Para realizar el enlace de comunicación entre el PLC del
toma muestras automático y la red de control de PDVSA
Petrolera Sinovensa, se configuraron dos (2) Radios
Industriales de fabricante Prosoft y serie RadioLinx en modo
Amo-Esclavo. La configuración del enlace vía radio se realizó
utilizando el software RadioLinx Industrial Hotspot Browser
V3.1, en el cual se configuran el enlace entre el amo y el
esclavo como se muestra en la Fig. 11.
FIG. 7. Despliegues del IHM.
FIG. 8. Instalación típica de la Sonda de Muestreo LSM.
En la Fig. 9 se puede observar las sondas de muestreo
instaladas en sitio.
En la Fig. 10 se puede observar los recipientes utilizados
para el almacenamiento de la muestra representativa. Dentro
de cada recipiente se tiene un conmutador de nivel utilizado
para evitar el desbordamiento del mismo. Adicionalmente se
puede observar una bomba utilizada para extraer las muestras
y depositarlas en recipientes portátiles que son luego llevados
al Laboratorio de Petrolera Sinovensa Morichal para su
FIG. 11. Configuración de Enlace vía Radio.
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D. Integración al SCADA
Para lograr el monitoreo y control remoto del toma muestras
automático de la línea de descarga de los tanques 0003-TK1101/02, Se realizaron modificaciones en los despliegues del
SCADA de Sala de Control de PDVSA Petrolera Sinovensa.
Se realizaron modificaciones en el despliegue asociado a los
tanques 0003-TK-1101/02. Adicionalmente se agregó un
nuevo despliegue asociado al toma muestras automático.
En la Fig. 12 se puede observar el despliegue del SCADA
del toma muestras automático. En esta ventana el operador
puede configurar la frecuencia de la prueba (BPD), el tiempo
total de la prueba (Horas), y puede dar inicio, parada, y
reinicio de la prueba. Adicionalmente, el operador puede
monitorear los parámetros de las pruebas, los cuales son:
número de muestras transcurridas, número total de muestras de
la prueba, periodo de muestreo (segundos), tiempo restante de
la prueba, flujo o tasa de bombeo que se está desplazando por
la línea, estado de la sonda de muestreo, y alarmas por alto
nivel en el recipiente.
Para los conmutadores de nivel se utilizó un multímetro
Fluke 744, donde se evaluó la continuidad del cable cuando el
conmutador es accionado.
Para las sondas de muestreo se utilizaron las salidas
digitales del PLC asociado al toma muestras automático,
donde se evaluó la energización de la válvula solenoide, y el
movimiento del actuador de la sonda de muestreo.
B. Pruebas Funcionales
Luego de realizar pruebas de lazo a toda la instrumentación
asociada al modelo de toma muestras automático, se procedió
a realizar la prueba de aceptación en sitio para verificar el
buen funcionamiento de la lógica de control de PLC y el IHM.
La prueba de aceptación en sitio se dividió en tres etapas,
las cuales son: Pruebas de Hardware, Pruebas de Software, y
Pruebas Funcionales.
En las Pruebas de Hardware se verificó el correcto
funcionamiento de todos los equipos que conforman el
Gabinete de Control.
En la Tabla II se puede observar el procedimiento y los
resultados obtenidos.
TABLA II
PRUEBAS DE HARDWARE.
Descripción de Prueba
1 Cerrar Interruptor Principal y verificar
alimentación 110Vac en Gabinete
2 Energizar Fuente de Poder y verificar
alimentación 24Vdc en Gabinete
3 Energizar Fuente de Poder del PLC y
verificar indicación de estado
4 Verificar indicación de estado de
procesador y tarjetas I/O
5 Energizar el IHM y verificar startup
automático
6 Energizar el Conmutador Ethernet y
verificar indicación de estado
7 Energizar el Radio Esclavo y verificar
indicación de estado
FIG. 12. Despliegue del SCADA asociado al Toma Muestra
Automático.
IV. PRUEBAS DE ACEPTACIÓN EN SITIO
Luego de realizar la instalación del gabinete de control
asociado al modelo de toma muestras automático, se procedió
a conectar toda la instrumentación asociada al mismo. Se
realizaron pruebas de lazo a toda la instrumentación asociada
al modelo de toma muestras automático.
A. Pruebas de Lazo
Para los transmisores de flujo se utilizó un equipo de
configuración y mantenimiento de transmisores Emerson 475
Field Communicator, el cual es utilizado para configuración,
calibración, y mantenimiento de transmisores Rosemount.
Resultado
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
En las Pruebas de Software se verificó el correcto
funcionamiento de todos los despliegues del IHM. En la Tabla
III se puede observar el procedimiento y los resultados
obtenidos.
En las Pruebas Funcionales se verificó el correcto
funcionamiento de la lógica de control del PLC y IHM. En la
Tabla IV se puede observar el procedimiento y los resultados
obtenidos.
Es importante resaltar que las pruebas funcionales se
realizaron de forma local utilizando el IHM asociado al toma
muestras automático, así como también de forma remota
utilizando el nuevo despliegue del SCADA asociado al toma
muestras automático. Ambas pruebas comprobaron el correcto
funcionamiento del toma muestras automático en su totalidad
[6].
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TABLA III
PRUEBAS DE SOFTWARE.
Descripción de Prueba
1 Mover llave de PLC a estado RUN y
verificar indicación de estado de PLC
2 Verificar funcionamiento de Despliegue de
Pantalla de Inicio del IHM
3 Verificar funcionamiento de Despliegue de
Estatus del TMA-1101
4 Verificar funcionamiento de Despliegue de
Configuración del TMA-1101
5 Verificar funcionamiento de Despliegue de
Configuración de Derivación FIT-1101
6 Verificar funcionamiento de Despliegue de
Estatus del TMA-1102
7 Verificar funcionamiento de Despliegue de
Configuración del TMA-1102
8 Verificar funcionamiento de Despliegue de
Configuración de Derivación FIT-1102
9 Verificar funcionamiento de Despliegue de
Historial de Alarmas
V. CONCLUSIONES
Resultado
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
TABLA IV
PRUEBAS FUNCIONALES.
Descripción de Prueba
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Configurar el TMA e iniciar la toma de
muestras
Verificar el incremento de muestras en
Despliegue de Estatus del TMA
Verificar el periodo de muestreo en
Despliegue de Estatus del TMA
Verificar el tiempo restante en
Despliegue de Estatus del TMA
Verificar el movimiento del actuador de
la sonda de muestreo 0003-SM-110X
Verificar la introducción de la muestra
al recipiente del TMA
Detener el TMA y verificar Despliegue
de Estatus del TMA
Iniciar nuevamente el TMA y verificar
la continuidad de la prueba
Activar el Conmutador de Nivel 0003LS-110X y verificar alarma de Alto
Nivel
Verificar Detención del TMA por Alto
Nivel en recipiente
Reiniciar el TMA y verificar valores
iniciales de estado y configuración
Activar la Derivación del 0003-FIT110X y verificar Despliegue de Estatus
del TMA
Desactivar la Derivación del 0003-FIT110X y verificar Despliegue de Estatus
del TMA
Verificar Despliegue de Historial de
Alarmas para Inicio, Parada, y Reinicio
del TMA
Resultado
Los toma muestras automático son de gran importancia para
la industria petrolera. Su aplicación ayuda a mantener los
niveles de calidad del producto final.
En este trabajo se logró satisfactoriamente la
implementación del toma muestras automático para la línea
descarga de los tanques 0003-TK-1101/02 de PDVSA
Petrolera Sinovensa.
Luego de finalizar las pruebas de aceptación en sitio, se
logró garantizar el correcto funcionamiento de la
instrumentación, hardware, y software, del toma muestras
automático.
La implementación del toma muestras automático aplicando
conocimiento nacional, logró cumplir con las líneas
estratégicas asociadas al Proyecto Nacional Simón Bolívar
Primer Plan Socialista (PPS), específicamente en el área de
Energía y sub-área Petróleo, la cual está enmarcada dentro de
la línea de investigación para el aumento de la eficiencia de los
procesos de conversión de los crudos pesados y extrapesados
de la Faja Petrolífera del Orinoco.
Este toma muestras automático es un desarrollo nacional
que aumenta el patrimonio tecnológico venezolano, brindando
la oportunidad de no limitar las opciones a sistemas
importados de protocolos cerrados que lo hacen es crear
dependencia de un fabricante extranjero a la hora de realizar
mantenimientos y nuevas procuras.
OK
OK
OK
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
[2]
OK
[3]
OK
OK
[4]
OK
[5]
OK
[6]
OK
OK
ORIFUELS SINOVENSA Ingeniería de Detalle Proceso. “Manual de
Operación de La Planta Deshidratadora y Desaladora (PDD)”.
DD-020-21-2127-K001, Venezuela, 2006.
Comisión Venezolana de Normas Industriales. “Petróleo Crudo y sus
Derivados Muestreo Manual”. 1era Revisión. Norma Venezolana
COVENIN 950-90. Venezuela, 1990.
AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. “Manual de Estándares de
Medición de Petróleo”. Capitulo 8 Muestreo, Sección 2 Procedimiento
Estándar para Muestreo Automático de Petróleo Liquido y Productos de
Petróleo. Estados Unidos de América, 2005.
ECOPETROL Coordinación de Operaciones y Mantenimiento
Monterrey y Altos Del Porvenir. “Instructivo Operacional Toma De
Muestras en Líneas y Tanques”. (CMO-CMO-I-014). Colombia 2012.
GPA Estudios y Servicios Petroleros, “Nota Técnica: Toma de
Muestras”. Argentina, 2010.
A. E. Granado. “Diseño e Implementación de un Toma Muestras
Automático en la línea de descarga de los tanques 0003-TK-1101/02
de la Planta Deshidratadora y Desaladora (PDD) de Petrolera
Sinovensa en Morichal, Edo. Monagas.”. Trabajo de Grado,
Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de
Sucre”, Puerto Ordaz, Venezuela, 2015.
OK
OK
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Implementación de un Controlador basado en
Lógica Difusa, usando un Microcontrolador
PIC18F4550, aplicado a Sistemas de Control de
Nivel
Angel E. Granado Ravago
Resumen— En este artículo se presenta la implementación de un
controlador basado en lógica difusa, usando un microcontrolador
PIC18F4550, aplicado a sistemas de control de nivel. El estudio
que se propuso en este trabajo fue desarrollado como una
investigación experimental de tipo aplicado y está desarrollado en
dos fases, una de diseño y la otra de implementación. Luego de
realizar todas las pruebas se comprobó el buen funcionamiento
del controlador difuso y su capacidad de regular el nivel de agua
del tanque de control de la maqueta de nivel con un tiempo de
estabilización máximo de 34,2 segundos, y un error de estado
estable máximo de ± 1.96%.
Palabras claves— control
microcontrolador, PIC18F4550.
de
nivel,
lógica
difusa,
I. INTRODUCCIÓN
El uso de técnicas de control clásico como es el control
PID de ganancia fija, en algunos casos resulta ser una buena
alternativa para controlar sistemas dinámicos; ya que
proporcionan tiempos de respuesta rápidos, sin embargo entre
mayor es la precisión requerida en el sistema el ajuste de este
tipo de control es más difícil ya que son bastante sensibles a
las señales de ruido y en ocasiones introducen oscilaciones
cuando se presentan retardos en el sistema. Cuando la
dinámica de los sistemas o procesos a controlar es no lineal, el
control tiene que tener la capacidad de compensar esta nolinealidad y aunque el control PID asume relaciones lineales,
este no tiene la capacidad para responder a esto. Esta nolinealidad difícilmente puede ser caracterizada por una
ecuación por lo que en la mayoría de los casos es tratada de
manera subjetiva por el operador del proceso. Esta
subjetividad tiene implicaciones profundas para poder modelar
este tipo de sistemas a través de la lógica difusa [1].
La implementación de controladores PID en hardware
basados en lógica difusa es motivada por su habilidad para
capturar estrategias cualitativas de control y su capacidad de
implementar un comportamiento de control altamente flexible.
Artículo recibido el 20 de Diciembre de 2014.
Con estos podemos lograr que nuestros sistemas puedan
ajustarse a condiciones cambiantes que son muchas veces
imposibles de predecir, tales como los cambios ambientales o
las condiciones de desgaste en sus componentes físicos, por
citar algunos ejemplos [2].
La teoría de conjuntos difusos ha sido ampliamente
aplicada en campos como: la medicina, economía, ecología y
biología. Se ha empleado en empresas de producción de
artículos eléctricos y electrónicos como una herramienta de
control, se ha utilizado para el desarrollo de procesadores y
computadoras. Los conjuntos difusos son usados para toma de
decisiones y estimaciones en Sistemas de Control como son:
aire acondicionado, control de automóviles y controladores en
sistemas industriales [3].
Este estudio está orientado a la implementación de un
controlador basado en lógica difusa, usando un
microcontrolador PIC18F4550, el cual será programado en
lenguaje C a través del software CCS PCWH Compiler. Este
controlador difuso estará controlando el caudal de una bomba
de agua a través de una señal PWM (Pulse Width Modulation
o Modulación por Ancho de Pulso).
Para el desarrollo del presente trabajo fue necesario
realizar las siguientes actividades [4]: En la fase de diseño se
realizó el diseño de la maqueta a utilizar para el control de
nivel, como también se caracterizó el algoritmo de control
difuso, luego se diseñó y simuló un programa en el cual se
implementa dicho algoritmo de control difuso y que puede
funcionar en un microcontrolador PIC18F4550, se diseñó el
hardware del controlador difuso como también el de los
circuitos de acondicionamiento necesarios para la conexión del
controlador difuso con la maqueta. Posteriormente, en la fase
de implementación se realizó la fabricación de la maqueta para
el control de nivel, luego se llevó a cabo la fabricación de las
tarjetas de circuito impreso (PCB = Print Circuit Board)
asociadas al controlador difuso y a los circuitos de
acondicionamiento. Finalmente, se realizaron distintas pruebas
al controlador difuso conectándolo a la maqueta utilizada para
el control de nivel, y se procesaron los datos resultantes a
través del software Microsoft Excel 2007.
A.G.R. está con la Universidad Nacional Experimental Politécnica
“Antonio José de Sucre”, Vicerrectorado Puerto Ordaz, Dirección de
Investigación y Postgrado, Puerto Ordaz. Estado Bolívar, Venezuela, Tlf.
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II. DISEÑO
acondicionamiento estará controlando el flujo de la bomba 1.
A. Descripción General
Se diseñó un controlador basado en lógica difusa [5],
usando un microcontrolador PIC18F4550, aplicado a sistemas
de nivel. Este controlador consta de dos entradas: entrada de
referencia y entrada de realimentación, y tres salidas: salida
PWM (modulación por ancho de pulso), salida paralela de 8
bits, y salida de 4mA-20mA. Adicionalmente, consta de tres
botones de configuración (enter, subir, bajar) y una pantalla
LCD (Liquid Crystal Display o Pantalla de Cristal Líquido)
para su visualización. En la Fig. 1 se presenta el diagrama de
bloques propuesto para el sistema de control de nivel.
B. Software
El software fue desarrollado en lenguaje C utilizando el
compilador PCW CCS de Custom Computer Services. El
algoritmo de control utilizado en este controlador se basa en la
lógica difusa. Se toman las siguientes variables de entrada:
Entrada de Referencia, Entrada de Realimentación, y el error
resultante de la resta de las entradas mencionadas
anteriormente. Estas tres entradas (Vtank, Vref, Verror) pasan
por la etapa de fusificación donde se calcula el grado de
pertenencia de cada registro. Posteriormente, esta información
es utilizada por la base de conocimiento (Base de Datos y
Conjunto de Reglas Difusas) del controlador para elegir la
acción o respuesta más adecuada haciendo uso de la t-norma.
Luego se procede a la desfusificación de la salida del
controlador. El método de desfusificación utilizado es el
centroide.
Adicionalmente, se desarrolló una interfaz hombre-máquina
(IHM) para interactuar y configurar los parámetros difusos del
controlador. Se utilizó una pantalla LCD de 16X4. En la Fig. 2
se pueden observar algunas pantallas.
FIG. 2. Interfaz Hombre-Máquina del Controlador Difuso.
FIG. 1. Diagrama de bloques del circuito de prueba propuesto
para el sistema de control de nivel.
De manera general, el controlador trabaja con una
alimentación derivada del voltaje de la red doméstica
(110V/60Hz) proporcionando así una alimentación de 5V para
el microcontrolador PIC18F4550 y la pantalla LCD. El
funcionamiento del controlador difuso es el siguiente: Se
toman las señales de entrada (referencia y realimentación) y se
convierten de analógicas a digitales con el conversor A/D
interno del microcontrolador, luego estos registros (8 bits) se
restan para así obtener el error actual del proceso. Estos tres
registros (Vtank = señal de realimentación, Vref = señal de
referencia, Verror = señal de error) pasan por la etapa de
fusificación donde se calcula el grado de pertenencia de cada
registro. Posteriormente, esta información es utilizada por la
base de conocimiento (base de datos y conjunto de reglas
difusas) del controlador para elegir la acción o respuesta más
adecuada. Luego se procede a la desfusificación (método del
centroide) de la salida del controlador (salida paralela de 8
Bits) que será enviada al circuito almacenador de datos y al
circuito de acondicionamiento de 4mA-20mA [6]. Esta salida
también es convertida internamente en una señal de
modulación de ancho de pulso (PWM) con una frecuencia de
2Hz la cual luego de pasar por su respectivo circuito de
En las Fig. 3 se describen gráficamente los conjuntos
difusos de entrada predeterminados asociados al algoritmo de
control del Controlador Difuso.
FIG. 3. Conjuntos Difusos de Entrada Predeterminados del
Controlador Difuso.
En las Fig. 4 se describen gráficamente los conjuntos
difusos de salida predeterminados asociados al algoritmo de
control del Controlador Difuso.
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III. IMPLEMENTACIÓN
A. Circuito Controlador Difuso
En este circuito se encuentra el microcontrolador principal,
el cual contiene el programa principal del controlador difuso.
Para su diseño se utilizaron básicamente los componentes
mencionados en la Tabla II.
TABLA II
COMPONENTES DEL CIRCUITO CONTROLADOR DIFUSO.
Cantidad
FIG. 4. Conjuntos Difusos de Salida Predeterminados del
Controlador Difuso.
En las Tabla I se presentan las reglas difusas asociados al
algoritmo de control del Controlador Difuso.
Medio Lleno
Alto
Lleno
Totalmente
Lleno
Totalmente
Vacío
Mantener
Totalmente
Abierta
Totalmente
Abierta
Totalmente
Abierta
Totalmente
Abierta
Poco
Lleno
Totalmente
Cerrado
Mantener
Totalmente
Abierta
Totalmente
Abierta
Totalmente
Abierta
Medio
Lleno
Totalmente
Cerrado
Totalmente
Cerrado
Mantener
Totalmente
Abierta
Totalmente
Abierta
Alto Lleno
Totalmente
Cerrado
Totalmente
Cerrado
Totalmente
Cerrado
Mantener
Totalmente
Abierta
Microcontrolador PIC18F4550
Cristal de 4 MHz
Resistencia de 330 Ω
Potenciómetro de 10 KΩ
Pantalla LCD 16x4
Pulsador
En la Fig. 6 se observa la tarjeta PCB del circuito
controlador difuso.
TABLA I
REGLAS DIFUSAS PREDETERMINADAS.
Vref
Vtank
Totalmente
Vacío
Poco
Lleno
1
1
4
1
1
4
Descripción
Totalmente
Lleno
Totalmente
Cerrado
Totalmente
Cerrado
Totalmente
Cerrado
Totalmente
Cerrado
Mantener
C. Hardware
Para la construcción de los circuitos se tomaron medidas de
diseño de normativa internacionales con líneas de conducción
en las tarjetas de una longitud de 0,100 pulgadas por 0,040 en
las uniones de componentes y una área de aislamiento entre
líneas de 0,05 pulgadas.
En la Fig. 5 se muestran el plano de instrumentación y
tuberías de la maqueta utilizada para el control de nivel.
FIG. 6. Imagen real de la tarjeta PCB del Circuito
Controlador Difuso.
Adicionalmente en la Fig. 7 se observa el controlador difuso
en su contenedor con su pantalla LCD y los pulsadores
utilizados para interactuar y configurar el equipo.
FIG. 5. Diagrama de Instrumentación y Tuberías de la
Maqueta utilizada para el Control de Nivel.
FIG. 7. Imagen real del Contenedor del Controlador Difuso.
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B. Circuito de Acondicionamiento
En esta tarjeta de se encuentran los circuitos de
acondicionamiento del: sensor de presión, salida PWM, salida
4mA-20mA. Para su diseño se utilizaron los componentes
mencionados en la Tabla III.
TABLA III
COMPONENTES DEL CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO.
Cantidad
3
1
1
1
15
3
Descripción
Amplificador Operacional LM324
Amplificador de Instrumentación AD620
Conversor D/A DA0800
Potenciómetro de 10 KΩ
Resistencias de 1 KΩ, 100 KΩ, 100 Ω, 10 MΩ
Condensadores Cerámicos de 0,1 µF, 0,01 µF
En la Fig. 8 se observa la tarjeta PCB del circuito de
acondicionamiento.
FIG. 8. Imagen real de la tarjeta PCB del Circuito de
Acondicionamiento.
C. Circuito de Potencia
En esta tarjeta de se encuentra la parte de potencia del
circuito de acondicionamiento de la salida PWM del
controlador. Para su diseño se utilizaron los componentes
mencionados en la Tabla IV.
TABLA IV
COMPONENTES DEL CIRCUITO DE POTENCIA.
Cantidad
1
1
1
4
1
Descripción
Opto-Acoplador 4N25
Opto-TRIAC MOC3010
TRIAC BTB10
Resistencias de 1,2 KΩ, 100 Ω, 120 Ω
Condensador Cerámico de 0,1 µF
En la Fig. 9 se observa la tarjeta PCB del circuito de
potencia.
FIG. 9. Imagen real de la tarjeta PCB del Circuito de
Potencia.
D. Maqueta de Control de Nivel
La maqueta está compuesta de dos tanques, el primer tanque
simula un tanque de suministro, mientras que el segundo
tanque simula un tanque de control en el cual se va a controlar
el nivel. Además, posee dos bombas de aguas las cuales están
encargadas de la circulación del agua a través del sistema de
tuberías. Para la obtención de la señal de nivel, se instaló un
sensor de presión diferencial en el fondo del tanque de control.
Esta señal es acondicionada y enviada al controlador como la
señal de realimentación (Vtank).
En la Fig. 10 se observan imágenes reales de la maqueta
utilizada para el control de nivel. El tanque blanco simula el
tanque de suministro mientras que el tanque transparente
simula el tanque de control. La bomba 1 se encuentra debajo
del tanque de suministro mientras que la bomba 2 se encuentra
debajo del tanque de control. La bomba 1 es utilizada como
actuador del controlador difuso y es controlada con la salida
PWM del mismo.
IV. PRUEBAS FUNCIONALES
La prueba completa se basa en variar la entrada de
referencia en tres posiciones y observar el comportamiento del
controlador difuso. La prueba comienza colocando el valor de
entrada de referencia en 50% (Vref = 50%) y el tanque de
control vacío (Vtank= 0%), y se esperó la estabilización del
sistema. Luego de que el sistema se estabilizó, se incrementó
el valor de Vref hasta 75% y se esperó la estabilización del
sistema. Finalmente, se decrementó el valor de Vref hasta
25%, y se esperó la estabilización del sistema.
En la Fig. 11, se reflejan los resultados de la respuesta
temporal del sistema de control de nivel obtenidos en la
prueba completa. En este grafico se presentan las respuestas en
el tiempo de las entradas del controlador difuso, en las cuales
se encuentran: la entrada de referencia (Vref), y la entrada de
realimentación (Vtank). Se observa que después de cada
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variación de la entrada de referencia el sistema de control de
nivel logra la estabilización en un tiempo aproximado entre 20
segundos y 35 segundos.
TABLA V
PARÁMETROS DE LA RESPUESTA TEMPORAL DEL SISTEMA DE CONTROL DE
NIVEL.
Parámetros
Máximo Sobre-Impulso
Tiempo de Estabilización
Error de Estado Estable
Valor
0
34,2 Seg
± 1,96
En la Fig. 12, se reflejan los resultados del error del
controlador difuso obtenidos en la prueba completa. En este
grafico se presenta la respuesta en el tiempo de la variable de
error (Verror) el cual se introduce en la etapa de fusificación
para luego ser procesado por el controlador difuso. Se observa
que el mayor error del controlador difuso se produce al inicio
de la prueba, y cuando se realiza la variación de la entrada de
referencia (Vref) desde el valor de 75% hasta el valor de 25%.
FIG. 10. Imagen real de la Maqueta utilizada para el Control
de Nivel.
FIG. 11. Respuesta Temporal del Sistema de Control de Nivel
de Nivel.
En la Tabla V se presentan los parámetros de la respuesta
temporal del sistema de control de nivel obtenidos en esta
prueba.
FIG. 12. Error del Controlador Difuso.
En la Fig. 13, se reflejan los resultados de la salida del
controlador difuso obtenidos en la prueba completa. En este
grafico se presenta la respuesta en el tiempo de la salida del
controlador difuso (Vout) la cual se introduce en su respectivo
circuito de acondicionamiento para controlar el flujo de la
Bomba 1. Se observa que la salida del controlador incrementa
y decrementa su magnitud según sea necesario para poder
lograr la estabilización del sistema de control de nivel.
En las pruebas funcionales se pudo observar que el
controlador difuso logra la estabilización del sistema de
control de nivel [1]. En la primera parte de la prueba, la
entrada de referencia tiene un valor de 50% y el controlador
difuso estabiliza el nivel de agua del tanque de control en un
tiempo aproximado de 25 segundos sin producir un sobreimpulso en la respuesta temporal del sistema. En la segunda
parte de la prueba, la entrada de referencia se incrementó a un
valor de 75% y el controlador difuso estabiliza el nivel de agua
del tanque de control en un tiempo aproximado de 20
segundos si producir ningún sobre-impulso en la respuesta
temporal del sistema. Finalmente, la entrada de referencia se
decremento a un valor de 25% y el controlador difuso
estabiliza el nivel de agua del tanque de control en un tiempo
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aproximado de 35 segundos, nuevamente sin producir un
sobre-impulso en la respuesta temporal del sistema. El mayor
error de estado estable obtenido en estas pruebas fue de ±
1,96%.
algoritmo de control utilizando un microcontrolador
PIC18F4550.
Se completó la implementación de la propuesta de diseño de
un controlador basado en lógica difusa, usando un
microcontrolador PIC18F4550, aplicado a sistemas de control
de nivel.
Luego de realizar las pruebas para verificar el
funcionamiento del controlador difuso al ser conectado a la
maqueta para el control de nivel, el controlador difuso se
caracterizó por tener un tiempo de estabilización máximo de
34,2 segundos y un error de estado estable máximo de ± 1,96
%.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
[2]
[3]
FIG. 13. Salida del Controlador Difuso.
[4]
V. CONCLUSIONES
[5]
Luego de finalizar todos los objetivos planteados en este
trabajo se llegaron a las siguientes conclusiones:
Se logró el diseño e implementación de la maqueta a utilizar
para el control de nivel.
Se realizó la caracterización del algoritmo de control difuso,
como también el programa en el cual se implementó dicho
[6]
A. Ferreyra y R. Fuentes. “Estudio comparativo entre Control PID y
Difuso”. Tesis Doctoral. Universidad Autónoma Metropolitana Unidad
Azcapotzalco, México, 2014.
A. Lorandi y J. Hernandez. “Controladores PID y Controladores
Difusos”. Trabajo de Grado. Universidad Veracruzana, México, 2013.
J. Galindo. “Conjuntos y Sistemas Difusos”. Trabajo de Ascenso.
Universidad de Málaga. 1998.
A. E. Granado. “Implementación de un Controlador basado en
Lógica Difusa, usando un Microcontrolador PIC18F4550, aplicado
a Sistemas de Control de Nivel.”. Trabajo de Grado, UNEXPO Vicerectorado Puerto Ordaz, Venezuela, 2010.
C. Marcano y S. Saturno. “Diseño de un algoritmo de control difuso
basado en una estructura PID”. Trabajo de Grado. UNEXPO Vicerectorado Puerto Ordaz, Venezuela, 2004.
R. Carmona y C. Contreras, “Implementación de Generador/Monitor
de señales 4mA-20mA. En un sistema de agua potable”. Trabajo de
Grado. Universidad De La Salle, Bajío. 2001.
[7]
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