Diseño e implementación de una infraestructura para un sistema de control distribuido (DCS)

Abstract

En los últimos años, la masificación de sistemas embebidos y de computadores de placa reducida (SBC) han permitido el diseño, desarrollo y automatización de hardware de bajo costo para aplicaciones multidisciplinarias tales como impresoras 3D, sistemas de alarmas y climatización. Sin embargo, a nivel de laboratorios y pequeñas industrias su uso se limita a la creación de sensores, es por ello que esta memoria explora el diseño de un sistema de control enfocado en estos segmentos. Este sistema de control está compuesto por un servidor de control que posee una base de datos, un servidor web que actúa como interfaz humano-máquina (HMI), y un elemento de control, conectados mediante una red inalámbrica. El elemento de control corresponde al dispositivo encargado de obtener desde los sensores, datos sobre las variables de entrada, manipular los actuadores a través de los puertos de salida y posee además, la capacidad de implementar una ley de control a través de un controlador en modo de supervisión o como controlador digital directo. Por otro lado, el servidor de control tiene la función de registrar las mediciones de los sensores del equipo conectados al sistema, además, también puede registrar modificaciones hechas al sistema desde el HMI. El sistema de control diseñado se implementó en el equipo HL630, equipo que posee un circuito de calefacción de agua que incluye un radiador con ventilador, calefactor, una bomba de potencia regulable y un sensor de flujo. Para esto, se utilizó como servidor de control el SBC Raspberry Pi B+, y como elemento de control el sistema embebido Arduino Yún. Para conectar el equipo al elemento de control, se utilizó circuitos y dispositivos electrónicos con el fin de enlazar los actuadores y sensores. Asimismo, se observó la presencia de interferencias electromagnéticas (EMI), problema que se solucionó utilizando una jaula de Faraday. Además, se implementó un controlador digital directo de tipo PID con PWM debido a que no es posible utilizar el elemento de control en modo de supervisión.

Finalmente, para la sintonización del controlador, se utilizó un modelo empírico basado en la respuesta del sistema a un pulso de 15 seg., y con ello, mediante el ajuste de parámetros de simulaciones para un sistema con una función de transferencia de cierto orden, se determinó que la función de transferencia que mejor representa el sistema es de orden-(3,2). Así, se sintonizó el controlador utilizando algoritmos basados en la minimización de overshoot en función del tiempo de estabilización del sistema para problemas de regulación y servo-control, en base a una simulación del sistema con controlador PID continuo, para obtener parámetros utilizados como base de la ley de control implementada y mediante un análisis de sensibilidad se obtuvo un valor definitivo. Posteriormente, se probó de forma experimental que al aumentar 10 veces el valor destinado a eliminar el windup reset aumenta la amplitud de oscilaciones y el sistema converge a estado estacionario oscilando alrededor del valor del setpoint. De igual manera, también se experimentó aumentar al doble el periodo de la señal de referencia del PWM y se observó que el controlador no cambia la amplitud, ni el tiempo de estabilización, sin embargo, se genera una oscilación de alta frecuencia de amplitud constante. Así, fue posible diseñar una infraestructura de un sistema de control distribuido con las caracteristicas ya mencionadas, que se implementó en un equipo de laboratorio y de forma exitosa fue posible monitorear y controlar el equipo de forma remota a través del HMI. A su vez, este proyecto permitió ver la factibilidad técnica de implementar sistemas de control de bajo costo en algunos procesos de pequeñas escala, a modo de reemplazar la utilización de costosos sistemas industriales.