CONTROL PID CON CONVERTIDORES DE FRECUENCIA (2)

Para mantener la variable de proceso en el valor deseado se requieren de algunas acciones sobre la frecuencia del convertidor. Ya se mencionó en el post anterior que las acciones de los controladores PID son 3:

• ·         Proporcional
• ·         Integral
• ·         Derivativo

ACCIÓN PROPORCIONAL.

Para evitar cambios bruscos en la presión ante cambios de carga, se puede ajustar al convertidor para que varíe la frecuencia de salida en forma proporcional a la diferencia entre la variable de proceso y el set point. A mayor diferencia mayor frecuencia (en un control directo, en uno inverso será menor frecuencia).

El factor de proporcionalidad se conoce como ganancia proporcional Kp. A diferente ganancia diferente serán la respuesta del convertidor, dado que a igual diferencia de tensión de error entregará una frecuencia de salida mayor o menor. 

Por ejemplo, para un CFW08 de la casa WEG, se obtuvo la siguiente relación entre señal de error, frecuencia de salida y ganancia proporcional:

Los valores del gráfico anterior fueron obtenidos en el banco de bombas PID Braincon, con un CFW08 y los parámetros:

 P133=3Hz, P134=66Hz, P525=50%, P521=P522=0. 

La señal de error usada en el eje x es la diferencia entre P525 (SET POINT) y P040 (PROCES VALUE)

Evidentemente el control tiene un límite, ya que no se puede obtener una frecuencia mayor que las máximas o mínimas permitidas (P133 y 134 del CFW08).

Una ganancia proporcional muy grande hace que el sistema responda muy rápido a un cambio en la presión de la cañería ya que la frecuencia cambia en un valor grande ante la señal de error. A partir de la respuesta del conjunto la señal de proceso empezará a aumentar y el convertidor bajará la frecuencia. Si la ganancia es demasiado elevada puede resultar en un comportamiento inestable. 

OFFSET

Un inconveniente del control proporcional es que siempre queda una señal de error (OFFSET), es decir queda una diferencia entre la variable de proceso y el set point, que se hace más pequeña cuanto mayor sea la ganancia Kp. Si se desea eliminar este error permanente, debe introducirse una corrección manual o automática (de esto se trata la siguiente acción: la acción integral).

En el próximo post se verán algunos ejemplos para clarificar este problema.

CONTROL PID CON CONVERTIDORES DE FRECUENCIA. (1)

Los convertidores de frecuencia cuentan con un modo de control en lazo cerrado que permite ajustar la velocidad del motor en base a una señal de referencia externa que debe mantenerse en un valor predeterminado.

Por ejemplo si se desea controlar la presión en un sistema hidráulico, se puede colocar un transmisor de presión en la cañería: 

El transmisor de presión entrega una tensión x (variable de proceso) de 0-10V o una corriente de 4-20mA. Esta señal se conecta  a la entrada analógica del convertidor (que debe configurarse para leer una variable de proceso). 

El convertidor de frecuencia debe configurarse en modo PID para de esa forma poder indicar por teclado o por otra entrada analógica (en el caso del CFW08 plus) un valor de consigna w (SET POINT) es decir el valor de tensión que debería tener la salida del sensor que indica la presión del sistema, cuando la bomba está funcionando.

Existen dos algoritmos comúnmente utilizados en los controladores PID: Paralelo y Serie. A continuación se mostrarán los diagramas en bloques y las ecuaciones que rigen a ambos algoritmos. El objetivo de este post es ver técnicas experimentales de ajuste de las variables del controlador, no se va a realizar un análisis matemático complejo del mismo, solo se plantean las ecuaciones para comprender parte del formalismo.

Un control PID tipo paralelo sería:

En este diagrama genérico, la referencia de frecuencia del convertidor se define como:

Donde la señal de error e(t) se define por:

Siendo KP, KI, Kd las ganancias proporcional, integral y diferencial respectivamente. 

Un control de tipo serie sería:

El PID serie (o interactivo) es uno de los mas utilizados, especialmente en equipos analógicos antiguos (se realizaba con amplificadores operacionales y el hecho de ser serie permitía lograrlo con menor cantidad de componentes) y se lo siguió utilizando en algunos equipos digitales por tradición.

Las respuestas de ambos tipos son similares.

Esta última es la configuración adoptada en el CFW08 de WEG. El CFW09 utiliza la anterior.

GLOSARIO.

Variable de proceso o variable controlada (X): es la señal que entrega el sensor que mide la variable que se quiere controlar (temperatura, presión, caudal, etc)

SET POINT (W): es el valor que se desea obtener de la señal.

Error u offset (e(t): diferencia entre la variable de proceso y el set point.

En el próximo post se analizan las acciones del controlador PID (acciones proporcional, integral y derivativa).

ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO (2): Ajuste del timmer

Cómo se debe ajustar correctamente el tiempo de conmutación en un arranque estrella triángulo?

Continuando con el post anterior donde se habló de los inconvenientes en la conmutación de un arranque ET se va a analizar como ajustar correctamente el tiempo de conmutación. Este  DEPENDE DE LA CARGA, tanto de su inercia como de su par resistente. No se puede dar un valor correcto "genérico", se debe sintonizar el arrancador con la carga en la puesta en marcha de la máquina.

Para que la corriente en la conmutación sea lo menor posible, se debe ajustar el temporizador de forma que el motor haya llegado a aproximadamente el 90% de la velocidad nominal durante la fase estrella antes de realizar el cambio. Esto no es difícil de lograr. Si el arranque dura unos segundos, se puede medir la corriente y contar el tiempo que tarda en establecerse el régimen. Con un poco de práctica "a oído" se logra el ajuste correcto, cuando el motor deja de acelerar, se debe hacer la conmutación.

ES MUY IMPORTANTE ESCUCHAR A LA MAQUINA..... 

Que sucede si no se da el tiempo correcto?. Las mediciones siguientes se realizaron con un motor de 5.5 HP con carga inercial en diferentes valores de tiempo.

1) Tiempo muy largo:

El motor se queda accionando a la carga con baja tensión, está forzado innecesariamente. No se recomienda, salvo que el par resistente sea muy bajo.

2) Tiempo muy corto:

El transitorio de conmutación dura demasiado, el golpe en el eje es importante, se oye y se siente la vibración en la máquina.

3) ajustes correctos:

Se deja un pequeño margen de seguridad, para evitar que algún cambio en la carga lleve a la situación 2. Es preferible que el tiempo sea un poco mas largo, 10 al 20% del valor medido inicialmente es algo razonable, pero esto depende mucho de la experiencia que se tenga con ese tipo de máquinas. Si no hay posibilidades de variación de carga se lo puede ajustar mas.

DETECTOR DE SECUENCIA DE FASES

Es habitual tener que conocer el orden de las fase en un tablero industrial. Algunas máquinas no admiten la prueba de giro en sentido inverso bajo ningún aspecto así que se debe tener la certeza de que el ordenamiento de las fases es el correcto antes de energizar la máquina.

No hay forma de saber cual es L1 L2 y L3, (o R, S, T para los mas veteranos...) a los fines prácticos solo interesa el ordenamiento. Una secuencia, positiva es decir,  L1-L2-L3 es en cuanto al sentido de giro de los motores, idéntica a una L2-L3-L1 o a una L3-L1-L2. En cambio una secuencia L2-L1-L3 genera un giro en sentido inverso.

Se comercializan distintos dispositivos que realizan dicha función, pero habitualmente la tarea surge en "obra" donde no siempre se tiene al susodicho encima...

Hay distintas soluciones simples para este tema.

1) tener un motor pequeño normalizado.

Si se conecta el motor L1->U1, L2->V1 y L3 -> W1, el sentido de giro visto desde el eje del motor debe ser en el sentido que se mueven las agujas de un reloj. Los bornes U-V-W vienen identificados en la bornera del motor. Si gira al revés se deben invertir dos cables cualesquiera  y  se obtiene la secuencia positiva.

2) tener un relé de secuencia de fases. Este dispositivo detecta la secuencia y luego de 1 segundo activa un relé y enciende un led. Si no enciende la secuencia era incorrecta, se deben conmutar dos cables cualquiera.

3) tener 2 lamparitas de 25W y un capacitor de 0.47microF * 630V de poliester...
Se arma la serie entre las dos lámparas (tienen que ser incandescentes, no sirve led ni fluorescente compacta) y en el centro de la misma se conecta (en estrella) el capacitor.

La lámpara que enciende mas es L1, la otra L2 y el capacitor L3!!!!

No es un instrumento normalizado pero resuelve el problema...

MODBUS CON CLIC02 Y CFW08 (2)

Un segundo ejemplo de como hacer la comunicación con Clic02. En este caso se desea leer 3 parámetros del CF y presentarlos en la pantalla del Clic. Se va  a leer la frecuencia (P002), la tensión en la salida (P007) y además el valor del tiempo de la rampa de aceleración (P100).
En el ladder se arma una secuencia paso a paso, para garantizar el enclavamiento del puerto, es decir que solo una instrucción MU lo acceda por vez.
La sección de control de pasos del ladder es la siguiente:

Se está usando como una de las condiciones de transición de pasos la señal de la marca M3D del Clic que indica que terminó un telegrama Modbus. De esta forma se pasa a la instrucción siguiente solo si terminó la transmisión anterior.
El control de las salidas (al puerto y a la pantalla del clic) es el siguiente:

La configuración de las MU se hizo de la siguiente forma:

En el post anterior, se usaron DR, acá se accede directamente desde la casilla Comm Add. a la dirección deseada (en Hexa) del esclavo, como para ver otra alternativa de programación de MU.


La pantalla se configuró así:

El resultado en pantalla es el valor de P002 multiplicado por 100, el de P007 y el de P100 multiplicado por 10. Por ejemplo para 40Hz, 168V y 5 seg se verá lo siguiente:

En el próximo post se indica como escribir un parámetro en el CFW08 desde el Clic02.

MODBUS CON CLIC02 y un CFW08 (1)

Con las versiones 3.X del Clic 02 de WEG (o el SG2 de la firma TECO) se abre la posibilidad de utilizar a este equipito como master Modbus y realizar una pequeña red con otros dispositivos.
La idea es comunicar dos o mas equipos:

En los siguientes ejemplos se muestra como acceder a parámetros del CFW08 y verlos en el HMI del Clic.

CIRCUITO
Se debe conectar al Clic con el puerto RS485 del convertidor. Este se forma con una HMI opcional que cuenta con dicho puerto.

El clic debe contar con un puerto. Por ejemplo el modelo 20VT-D como el que se va a usar en estos ejemplos y debe ser de la versión 3.X. En el frente del PLR figura como 3rd en rojo.

El clic tiene etiquetados los terminales del puerto en forma invertida.
Se debe utilizar un cable de tipo RS485 ( par trensado enmallado) conectando el terminal A del Clic con el B del CFW08 y el B del Clic con el A del CFW.

Es recomendable colocar una resistencia de 120 Ohms en cada fin de línea para evitar reflexiones. La HMI del CFW08 la incluye, se deben habilitar los dipswitch ubicados cerca de la bornera del puerto.

CONFIGURACION DEL CFW08
Se configura el puerto de comunicación con los mismos parámetros que se usan en el Clic 02:

P308= 2 (dirección en la red Modbus)

P312=3 (Modbus RTU, 9600 bps, paridad par)

P314=0 (sin función watch-dog)

CONFIGURACION DEL CLIC02

El clic02 se configura en el modo Modbus, para ello debe colocarse el Remote I/O en N y la dirección del master en un valor diferente de 0 (1 en este caso).

UN PRIMER PROGRAMA

El Clic 02 cuenta con las instrucciones MU para enviar telegramas Modbus. Dado que solo hay un puerto se debe realizar en el ladder enclavamientos para que solo una instrucción MU se utilice por vez. En este primer ejemplo se va a usar solo una instrucción MU.

1-      En el registro DR 01 se indica que se debe leer la dirección de memoria 2 del esclavo (correspondiente al P002 del CFW08, es decir a la frecuencia de salida).

2-      La longitud el dato se indica en el DR 02 (1 en este caso).

3-      En la instrucción MU, se indica que el master debe leer en el esclavo 2, la dirección indicada en el DR 01. El resultado leído se almacena en el DR E0.

4-      La pantalla H1 indica el valor leído y almacenado en ese registro.

     INSTRUCCIÓN MU1: 

El modo 1 indica leer un registro, en el remote ID 2 (el CFW08), en la dirección indicada en Comm. Add, es decir la indicada en el registro DR 01, con longitud guardada en el DR 02, y el resultado leído en el CF se guarda en el registro DR E0 del Clic.

La pantalla H1 se configura de esta forma:

De esta forma se visualiza el valor de la frecuencia multiplicada por 100 en la pantalla del Clic02 mientras esté accionada I1.

Los telegramas intercambiados entre maestro y esclavo son los siguientes:

Mas detalles sobre el protocolo Modbus en el manual Introducción a los PLC, relés lógicos programables del autor de este Blog. En siguientes post se verán otros ejemplos.

GOLPE DE ARIETE

Al trabajar con bombas es habitual escuchar un estampido en el momento del apagado. Este se debe a que la energía cinética del fluido no se puede disipar inmediatamente y la masa de agua sigue moviéndose y rebotando contra la válvula de retención. Esto produce un transitorio de presión en el sistema que deteriora cañería, sujeciones mecánicas y válvulas. Este transitorio se conoce como golpe de ariete (water hammer).

Existen técnicas mecánicas para amortiguarlo (como siempre en ingeniería, la palabra "eliminar" es mala palabra... valga la redundancia!) que no serán tratadas aquí. Sí, se analizan dos variantes de control del motor y su influencia en la amplitud de este golpe. 

Los valores indicados corresponden a una bomba KSB equipada con un motor WEG de 100HP, 1485 RPM, que abastece (junto con otras 4) una planta de bombeo ubicada en zona sur del gran Buenos Aires.

Estas bombas toman agua de una cisterna y la elevan a un tanque de aproximadamente 30m de altura ubicado a unos 30m de la estación de bombeo. Este tanque lleva por acción de la gravedad, el vital elemento hasta la ciudad.

CON ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO 

En el video que sigue se visualiza el arranque y la parada de la bomba con un arranque estrella triángulo convencional:

En este video, se escucha un fuerte estampido cuando golpea la válvula de retención y se observa la amplitud de la vibración en la cañería incluso después del manchón.

A continuación la evolución de la corriente (en Amperes y segundos) durante el funcionamiento de la bomba.

Se ve una corriente de arranque (en estrella) del orden de 280A de pocos segundos de duración, un breve tiempo (10 segundos aproximadamente) de corriente cercana a los 140A en triángulo y luego la corriente de régimen permanente de aproximadamente 120A (la nominal del motor es de 139A)

Los siguientes son oscilogramas de corriente en una fase, donde se indica, solo como anecdótico para aquellos que hayan seguido post´s anteriores, el transitorio de la conmutación E-T en el primero  y el efecto del capacitor de factor de potencia en la parada final en el segundo:

CON ARRANCADOR SUAVE

En el mismo tablero, se reemplazaron los contactores del E-T por un SSW07 de 171A. El banco de compensación de factor de potencia, se activa con un contacto auxiliar del equipo, cuando se  termina la rampa de aceleración.

Si la misma bomba se acciona con un arrancador suave, se logran dos ventajas: una reducir la corriente de arranque, sin conmutación (como el pasaje de estrella a triángulo) con su efecto favorable sobre la red y a su vez sobre el transitorio de presión. Y la segunda ventaja es reducir el golpe de ariete en la parada.  Esto último se logra  haciendo que el motor se encargue de frenar a la masa de agua lentamente, de forma que la energía se vaya reduciendo lo más suavemente posible.

Desde el punto de vista de la parametrización del arrancador, se dispone de varias herramientas. En este caso se utilizó una rampa de tensión, controlando su duración, para prolongar el tiempo de parada. Se empezó configurando solo el tiempo de deceleración. Luego de unos cuantos intentos con diferentes rampas, se llegó a la conclusión de que este parámetro solo no fue suficiente ya que si bien se producía un golpe más suave  seguía siendo importante. Se tuvo que experimentar con tres variables: el tiempo de deceleración, el salto de tensión en el momento del apagado y el valor de tensión final de la rampa. El conjunto de valores correctos se obtuvo experimentando y a “oído”,  ya que solo se contaba con manómetro en el lado de la bomba, no del otro lado de la válvula de retención. El resultado se “oye” en el siguiente video:

La gráfica de corriente  observada es:

Se observa que si bien la corriente de arranque orilla los 400A, la duración de este transitorio es inferior al caso del E-T. Además se ve el aumento de corriente en el final de la rampa de deceleración como se mencionó previamente, esto no sucede en el ET pero es aquí donde se está usando al motor para detener a la masa de agua en movimiento!!! Además existe una oscilación en el momento donde se produce el primer golpe, que es evidentemente mas suave que en el caso del ET. En algunos ensayos se presenciaron dos golpes.
La evolución de la tensión que entrega el soft starter, con la mejor parametrización experimentada es:

y un oscilograma con la corriente en el momento de dar la orden de apagar al arrancador:

Dado que la corriente en la parada aumenta mientras el motor está frenando a la masa de agua en movimiento se debe verificar que esté bien ajustada la protección del motor, puesto que en el fragor de la lucha cuerpo a cuerpo entre el técnico y la máquina durante la puesta en marcha es muy fácil excederse!!!.

También se debe respetar el tiempo entre arranques. Para ellos es útil configurar un parámetro que no permita arranques sucesivos en menos de unos minutos, de forma que el equipo logre refrigerar su etapa de potencia.

AJUSTE RECOMENDADOS.

Se recomienda iniciar con:

• una rampa de deceleración del orden de los 15 segundos, 
• un escalón de tensión en el inicio de la rampa de deceleración del orden de 80% de la tensión nominal del motor 
• y un nivel de tensión de salida en el momento de la desconexión del orden del 50% 

(en el caso de un SSW07 de la casa WEG, como en este trabajo son los parámetros 103, 104 y 105, a los que se accede con un opcional  HMI o con una interface PC. Ya que el equipo en formato comercial viene sin ellos, se deben adquirir por separado).

En este caso puntual los valores de dichos parámetros fueron respectivamente 80% / 10seg / 55%.

Para llegar a ellos, se realizaron al menos 15 juegos de valores de estas 3 variables, durante la puesta a punto, llegando a esta configuración como la que permitió el menor impacto.
Para el ajuste de la rampa de aceleración  fue de utilidad el manómetro que se encontraba en la entrada de la válvula de retención. Se encontró así que con una rampa de 10 segundos se lograba un valor aceptable de oscilación en la presión durante el arranque:

Se observa que la presión no inicia con el arranque del motor. Esto se debe a la curva caudal-velocidad de la bomba.
Además se tuvo que configurar el voltaje inicial en el 80% de la tensión nominal para lograr que el motor empiece a girar inmediatamente aplicada la orden de arranque al equipo.


NOTA IMPORTANTE.
No siempre se logra un valor bajo de golpe de ariete con un control en rampa de tensión. En determinados casos, en sistemas hidráulicos mas complejos se requiere de un "control de par". Dado que el SSW07 no lo incluye, se debe recurrir a un SSW06, de mayores prestaciones. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de evaluar la solución ya que los costos se incrementan.
Además se puede contar con un convertidor de frecuencia, con la ventaja adicional de poder controlar el caudal y reducir el consumo en situaciones que así lo permitan.