S.E.P. S.E.S. D.G.E.S.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO M A E S T R O E N C I E N C I A S DIRECTORES DE TESIS

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1 S.E.P. S.E.S. D.G.E.S.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO DISEÑO DE UNA ESTACIÓN DE MONITOREO DE PROCESOS. APLICACIÓN A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN. T E S I S P A R A O B T E N E R E L G R A D O D E : M A E S T R O E N C I E N C I A S EN INGENIERÍA MECATRÓNICA P R E S E N T A : I N G. F E R N A N D O R I V A S C R U Z DIRECTORES DE TESIS DR. CARLOS M. ASTORGA ZARAGOZA DR. RIGOBERTO LONGORIA RAMÍREZ CUERNAVACA, MORELOS. AGOSTO de 2006

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3 Dedicatoria A Dios por brindarme la oportunidad de culminar una etapa más de mi vida y ser la luz de mis días de obscuridad. A mi padre Rogelio Rivas por que a lo largo de estos años ha sido mi gran guía, mi apoyo y principalmente mi mejor amigo. A mi madre Yolanda Cruz por cobijarme cada día de mi existencia con su amor incondicional, su comprensión y paciencia. A mi hermano Juan Carlos, contigo he compartido muchas alegrías, logros y tristezas. Eres el mejor. Te quiero flaco. A mi abuelita Gudelia, aunque no estés con nosotros siempre te llevaré en mi mente y corazón, para ti jechu. Para ustedes les dedico este trabajo y mis logros. Fíate de Jehová de todo tú corazón, y no te apoyes en tú propia prudencia. Reconócelo en todos tus caminos y Él enderezará tus veredas. Anónimo.

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5 Agradecimientos Agradezco a mis asesores el Dr. Carlos Manuel Astorga Zaragoza y el Dr. Rigoberto Longoria Ramírez por guiarme en este trabajo de investigación mediante sus invaluables consejos y observaciones, por su confianza y sobre todo por su amistad. A los miembros del comité revisor: el Dr. Gerardo V. Guerrero Ramírez, la Dra. Ma. Guadalupe López López y el Dr. Enrique Quintero-Márquez Marmol, gracias por sus acertados comentarios y correcciones que contribuyeron a enriquecer este trabajo. Agradezco también a todos mis profesores de CENIDET por su gran labor en la formación de futuros investigadores. Agradezco al grupo de destilación: al Dr. David Juárez por sus enseñanzas y comentarios. A mis compañeros Francisco Ronay y en especial al chino Guillermo Valencia por el apoyo y sugerencias realizadas para culminar este desarrollo. A ti Ivette Carrero, por que has compartido conmigo muchas anécdotas y has estado en las buenas y malas. Gracias por tu cariño, tu tiempo y dedicación. A mi gran amigo Abraham Carreola, gracias por extender tu mano en todo momento y ser participe de muchos logros desde hace cuatro años. A ti Leslie Mora chaparra por brindarme tu amistad incondicional y tu cariño. Agradezco cada palabra de aliento y consejo. Gracias por enseñarme la diferencia entre un arreglo de cluster y un cluster de arreglos. Agradezco a Fernando y Milagros (mis compadres) por abrir las puertas de su corazón, permitiendo ser padrino de bautizo de Marifher. Dios los bendiga. A la familia San Martín y en especial a mis amigas(os) Orchid, Martha, Violet, Meury, Gaddi, por brindarme su amistad y cariño. Gracias por permitirme disfrutar momentos

6 inolvidables con cada uno de ustedes y en especial el día del viaje a Cuautla (espero se les olvide como llegaron los aguacates). A mis amigos de generación , tavo, cima, beto, escobedo, juaco, don chente, con quienes compartí momentos agradables de estudio y trabajo con la ilusión de algún día ver nuestros estudios concluidos. A mis amigos de generación , fer, rafa, mike, peter, angel; por brindarme su amistad y compañerismo. Al M.C. Luis E. Serrano por brindar su amistad y enseñarme a disfrutar del trabajo en equipo. Al Laboratorio de Biotecnología Ambiental de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos UAEM, por el préstamo de sus instalaciones y equipo, en especial a la Dra. Ma. del Refugio Trejo y al I.Q Daniel Morales. Sin duda he dejado de mencionar a muchas otras personas que hicieron más placentera mi estancia en Cuernavaca, siempre estuvieron pendientes de mi. No obstante a todos ustedes los tengo presentes y les reitero mi más profundo agradecimiento. Agradezco al COSNET y SEP por el apoyo económico brindado, sin el cuál no hubiera sido posible dedicarme de tiempo completo al desarrollo de este trabajo de tesis. Finalmente, agradezco al Centro Nacional de Investigación de Desarrollo Tecnológico por proporcionarme los medios necesarios para mi formación académica y por las facilidades otorgadas durante mi estancia.

7 Resumen En este trabajo se presenta el desarrollo de una estación de monitoreo para una planta piloto de destilación. El protocolo de comunicaciones MODBUS es la solución tecnológica de comunicación entre la computadora como unidad de control y la planta piloto de destilación. El uso de este protocolo permite obtener un sistema de monitoreo a bajo costo de implementación, aumentando la fiabilidad del control de la planta. El diseño del sistema de monitoreo se presenta en un ambiente gráfico y amigable para el operador, con la capacidad de monitorear y manipular las variables físicas que intervienen en el proceso de destilación. La aplicación importante de este sistema es la incorporación avanzada o innovadora de algoritmos de control. En este trabajo se presenta la implementación de un observador de estados para estimar en línea las composiciones molares en cada etapa de la columna de destilación.

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9 Abstract This work presents the development of monitoring station for a distillation pilot plant. MODBUS protocol is the technological solution of communication between the computer (used like a control unit) and the distillation pilot plant. The MODBUS protocol allows to have an efficient, flexible and reliable system. This technology reduces the amount of wiring, consequently, the maintenance and source of errors are reduced too. The monitoring system design is presented in a friendly application to the operator, with the monitoring and manipulated capacity of the physical variables that intervene in the distillation process. The important application of this system is the incorporation advanced or innovative control algorithms. In this work is presented a state observer implemented for estimate on line the molar compositions in each stage of distillation column.

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11 Índice general Lista de figuras VIII Lista de tablas IX Notación XI 1. Introducción Planteamiento del problema Objetivos Justificación Aportación Estado del arte Organización del documento Protocolo de comunicaciones MODBUS Introducción al protocolo Transmisión sobre redes MODBUS Modos de transmisión serie Campos de trama del mensaje MODBUS Métodos de comprobación de error Datos y funciones de control Contenido del campo i

12 ii ÍNDICE GENERAL 2.2. Reguladores de control Información técnica Instrumentación conectada a los reguladores de control Conexiones físicas de Digitric Transferencia de datos de los reguladores Registro de MODBUS Diseño y desarrollo de la estación de monitoreo Diagramas de bloques Inicializar controles e indicadores Aplicación control de botones Lectura/escritura de las variables mediante MODBUS Aplicación guardar datos Aplicación ejecutar acciones Conclusiones Aplicación del SPPD a una columna de destilación Sistema de la planta piloto de destilación SPPD Configuración del puerto serie Control de la válvula de reflujo EV Selección de Parámetros Gráfica de parámetros en tiempo real Control de lazos Gráficas de temperatura en tiempo real Registro de los datos Implementación del observador de estado al SPPD Descripción del observador Diagrama de flujo de implementación

13 ÍNDICE GENERAL iii 4.3. Estimación de concentraciones en tiempo real Validación del observador de estados en línea Conclusiones Conclusiones generales y trabajos futuros Conclusiones Generales Beneficios prácticos de la estación de monitoreo Perspectivas de trabajos futuros Bibliografía 85 Glosario de términos 89 A. Artículos publicados 91 B. Tablas de parámetros 93 C. Instalación del programa de monitoreo 95 C.1. Requerimientos mínimos C.2. Instalación SPPD D. Manual de operación de la columna 99 D.1. Procedimiento de puesta en marcha de la PPD D.2. Parada de la planta D.3. Medidas de seguridad E. Entorno y conceptos de LabVIEW 105 F. Implementación de algoritmos de control 109 F.1. Requerimientos del sistema F.2. Implementación de algoritmo

14 iv ÍNDICE GENERAL G. Propiedades del cromatógrafo 115 G.1. Procedimiento de prueba experimental

15 Lista de figuras 2.1. Aplicación general del protocolo MODBUS Ciclo petición-respuesta, maestro-esclavo Mensaje general MODBUS Bloque separado con modelos de datos MODBUS Petición del maestro con trama ASCII/RTU Respuesta de un esclavo con trama ASCII/RTU Regulador Digitric Planta piloto de destilación Cuerpo de la columna a. Plato b. Sección del cuerpo de la columna Partes que integran al Hervidor a. Termoresistencia de precalentamiento b. Hervidor Parte superior de la columna a. Condensador b. Válvula de control para el flujo del agua Electroválvula de reflujo Alimentación de la mezcla a. Deposito de alimentación v

16 vi LISTA DE FIGURAS b. Bomba de alimentación c. Termoresistencia de precalentamiento Interpolación de los puntos de operación de G Bomba de anillo líquido Diagrama de instrumentación Señales de conexión, módulos y PC Módulos de los reguladores Digitric Base de conexión de Digitric Jerarquía de la estación a. Módulo AE4 ma b. Módulo AE2 PT 3/4L c. Módulo AA3 ma d. Módulo BA4 REL e. Módulo R f. Módulo AE4 ma MUS Diagrama de flujo principal Subprograma, inicializar controles e indicadores Subprograma, control de barra de botones o menú Subprograma, leer y/o escribir datos de instrumentos Subprograma, guardar datos de instrumentos Subprograma VI aplicaciones Diagrama de flujo de gráficas de temperatura Diagrama de flujo de control de lazos Diagrama de flujo de selección de parámetros Diagrama de flujo de gráfica de parámetros Diagrama de flujo de control on/off EV Diagrama de flujo reporte en Excel

17 LISTA DE FIGURAS vii Diagrama de flujo para recuperar y generar reporte Ventana de inicio del SPPD Panel principal de la estación de monitoreo Representación física del ambiente de monitoreo Configuración serial Aplicación de control de EV Selección de parámetros a gráficar Gráfica de selección de parámetros Control de los lazos TIC, FIC, PIC Control en lazo abierto de la potencia calefactora Panel de gráficas de temperatura Selección de gráficas de temperatura Personalizar la apariencia de las gráficas Escalas de las gráficas Reporte formato Excel Esquema de observación experimental fuera de línea Diagrama de implementación del observador Figura de implementación del observador Aplicación de comparación temperaturas Estimación de concentraciones Reporte formato Excel de concentraciones Panel de gráficas T real y T estimada Temperatura del horno del cromatógrafo Diagrama de cromatógrafo de gases Fotografía de cromatógrafo Interpolación de la curva de calibración de metanol Reporte gráfico del cromatógrafo

18 viii LISTA DE FIGURAS a. Muestra 8, inyección a b. Muestra 13, inyección b Reporte del cromatógrafo a. Muestra 8, inyección a b. Muestra 13, inyección b Estimación de x en condensador y hervidor Comparación de temperaturas reales y estimadas a. Temperatura T9 y T 9 del condensador b. Temperatura T2 y T 2 del hervidor F.1. NI MODBUS Library F.2. NI PID Control Toolset F.3. Ejemplo de modelo en Simulink F.4. Nuevo algoritmo F.5. Implementación del nuevo algoritmo de control F.6. Agregar nueva estructura al SPPD F.7. Agregar nueva propiedad a la barra de menú F.8. Agregar apartado a la barra de menú del SPPD

19 Lista de tablas 2.1. Parámetros de configuración Elementos monitoreados y controlados en Digitric Elementos monitoreados y controlados en Digitric Funciones permitidas del regulador Digitric Rango de valores del regulador Digitric Registros MODBUS del regulador B.1. Características físicas de la planta piloto de destilación B.2. Propiedades termodinámicas de la mezcla metanol-etanol B.3. Parámetros iniciales del experimento ix

20 x LISTA DE TABLAS

21 Notación Letras mayúsculas C MeOH Concentración molar de metanol ( %). C1 Depósito del hervidor (6L). D1 Depósito de almacenamiento (9L). D3 Depósito de recuperación de destilado (1L). E1 Condensador. E4 Depósito de recuperación de fondo (4L). EV 1 Válvula de reflujo (0-1) F V F I1 F IC1 Flujo volumétrico en la alimentación (ml/min). Transmisor de flujo de área variable. Lazo de control de flujo de agua al condensador. F V 1 Válvula neumática de paso de agua al condensador ( %). G1 Frecuencia de alimentación ( %). G2 Bomba de vacío. J1 Termoresistencia eléctrica de precalentamiento ( %). J2 Termoresistencia eléctrica de calentamiento del hervidor ( %). LT 1 Transmisor de nivel. P MeOH P IC1 T i T IC1 T 1 T 12 W a Señal de salida del cromatógrafo. Lazo de control de presión. Temperatura del plato i ( o C). Lazo de control de temperatura de alimentación. Sensores de temperatura RTDs ( o C). Potencia calefactora del hervidor (Watts). x i Fracción molar líquida en el plato i, (0-1 %). xi

22 xii NOTACIÓN Marcas diacríticas Estimado. Abreviaturas CENIDET CRC EtOH HMI LRC MeOH OPC PC PID PLC PPD RTD Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico. Comprobación Redundante Cíclica. Etanol. (Human Machine Interface). Interfaz humano-máquina. Comprobación Redundante Longitudinal. Metanol. (OLE for Process Control). OLE para control de procesos. Computadora personal. Algoritmo de control proporcional, integral y derivativo. Controladores lógicos programables. Planta piloto de destilación. (Resistive Temperature Detector) Detector de temperatura por resistencia.

23 Capítulo 1 Introducción Aunque en el pasado podía considerarse que el único objetivo del control de procesos consistía en mantener una operación estable del proceso, actualmente las industrias se enfrentan a un mercado cambiante y difícil de predecir. La competencia en muchos sectores industriales y el creciente interés por obtener productos de mejor calidad, requiere que las plantas industriales cuenten con la implementación de sistemas de monitoreo y control que permitan mantener la operación del proceso con gran eficiencia y flexibilidad 1. Actualmente los sistemas de monitoreo y control en la industria de procesos, deben satisfacer criterios económicos, asociados con el mantenimiento de las variables de proceso en sus puntos de ajuste (set points) maximizando los criterios de seguridad y de medio ambiente. La industria de procesos requiere mejorar el control de sus unidades mediante la instrumentación necesaria y adecuada, además de contar con sistemas de monitoreo que permitan en conjunto, minimizar costos de instrumentación, cableado e implementación, con el objetivo de incrementar la calidad de la producción y el nivel de seguridad de la planta. La industria de procesos tiene un alto grado de lo que se puede llamar automatización básica: salas de control con sistemas de control distribuido (DCS), PLCs para sistemas de seguridad o secuenciamiento, etc., están hoy día presentes en todas las factorías. Del 1 La flexibilidad se considera desde el punto de vista de la facilidad de adaptación a cambios en los productos que se fabrican, sus características, demandas, etc. 1

24 2 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN mismo modo se extienden y afianzan los buses de campo (MODBUS, PROFIBUS, etc.) a la vez que los sistemas basados en computadoras y la relativa normalización de las comunicaciones (OPC ) permiten disponer de grandes cantidades de análisis y procesamiento de datos. Por otra parte, el funcionamiento correcto de la automatización depende en gran medida de la habilidad para conocer el estado real del funcionamiento del proceso en su operación normal ó en funcionamiento degradado debido a la aparición de fallos o cambios de estado interno. Los modernos sistemas basados en buses de campo facilitan esa tarea al ofrecer diagnósticos automáticos de la instrumentación, pero esto es solo una parte del diagnóstico: los puntos fuertes son el propio proceso y el sistema de control. Uno de los rasgos de la sociedad actual es, sin duda, la disponibilidad a bajo precio de sistemas de cómputo y comunicaciones, lo cual previsiblemente continuará en el futuro, así como el papel que éstas juegan en todos los ámbitos y la facilidad de interconexión debida a la extensión de los sistemas abiertos Planteamiento del problema La implementación de nuevas tecnologías que contribuyen a la optimización en plantas de procesos químicos en automatización y control industrial, han sido hoy en día, una de las razones de las empresas para mejorar sus instalaciones y garantizar la continuidad operativa de los procesos buscando el costo-beneficio de la inversión. En la actualidad uno de los grandes retos que están afrontando la industria de procesos, es la reducción de costos de mantenimiento e instrumentación. Para lograr lo anterior, la industria de procesos y principalmente las columnas de destilación requieren disponer de sistemas de monitoreo eficaz para analizar las variables implicadas en el proceso, así como de métodos o técnicas prácticas para obtener medios de comunicación a bajo costo de implementación, instrumentación y mantenimiento. Además de los problemas de sistemas de monitoreo en columnas de destilación, si se desea medir en línea (o en tiempo real) las concentraciones en cada una de las etapas de una columna de destilación, el costo de la instrumentación sería muy elevado (cromatógrafos, espectrómetros, etc.), por lo que se hace difícil el monitoreo de la concentración en línea

25 1.2. OBJETIVOS 3 debido a la escasez de sensores o instrumentos adecuados ya que son costosos o no existen Objetivos Los objetivos pueden resumirse en los siguiente puntos: 1. Diseñar y desarrollar una estación de monitoreo para la planta piloto de destilación del CENIDET, con el fin de monitorear las variables físicas que intervienen en el proceso de destilación. La comunicación entre la planta y la estación de monitoreo se hará mediante el protocolo MODBUS. 2. Manipular los lazos de control en modo manual o automático, además de poder variar los parámetros de sintonía de los controladores que integran la instrumentación de la planta piloto. 3. La estación de monitoreo permitirá implementar un observador de estado para determinar en tiempo real las concentraciones molares en cada una de las etapas de la columna de destilación a partir de las mediciones de temperaturas Justificación El CENIDET cuenta con una planta piloto de destilación que posee la instrumentación necesaria para poner en práctica conocimientos del proceso de destilación. Requiere de un sistema capaz de monitorear y manipular las variables que implican el proceso de destilación, así como permitir la implementación de algoritmos de control complejo. La solución viable para disponer del sistema de monitoreo del proceso de destilación, se basa en el uso del protocolo de comunicaciones MODBUS para sensar y manipular las variables de la PPD desde una computadora, con lo que se dispone de un sistema a bajo costo de implementación.

26 4 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Aportación Contribuir en el estudio de columnas de destilación y en el campo de la instrumentación industrial, principalmente obteniendo un sistema de monitoreo a bajo costo de implementación y que permita implementar en línea un sensor software para la estimación en línea de las variables de destilación, reduciendo costos de instrumentación y aumentando la eficacia de la planta Estado del arte Las investigaciones más recientes están basadas en el diseño y mejoras de los sistemas de monitoreo y control del proceso de destilación, así como de la implementación de algoritmos de control. A continuación se nombran algunos trabajos que se han realizado con respecto a desarrollos de sistemas de monitoreo aplicados a columnas de destilación y algunos trabajos de investigación con respecto al modelado de columnas de destilación. En el trabajo de [Zamarreño, 2003] desarrolla una interfaz con un sistema de control distribuido (por sus siglas en inglés DCS) para una planta de destilación, en este trabajo se implementan diferentes controles avanzados y técnicas de operación. Otro ejemplo de sistemas de monitoreo con aplicación a columnas de destilación se desarrolla mediante el uso de tarjetas de adquisición de datos y un sistema llamado PXI de NI R para adquisición de datos, la interfaz gráfica se desarrolla en LabVIEW R. El trabajo fue desarrollado por [Rodríguez, 2005] del Grupo de Exergía del Instituto Mexicano del Petróleo. En el trabajo de [Nooraii y Romagnoli, 1998] se presenta una interfaz de monitoreo desarrollada en LabVIEW R para mostrar la respuesta de la columna a un modelo desarrollado en Ecosimpro. Dentro del ámbito de la automatización industrial el uso de los buses de campos como es el MODBUS se ha convertido en toda una realidad para el monitoreo y control de sus procesos. Por mencionar algunos desarrollos de sistemas de monitoreo y control mediante el protocolo de comunicaciones MODBUS, en [Brown y Lacey, 2002] se presenta un sistema de control para cámaras de crecimiento de plantas; en [Ramírez et. al., 2004] un sistema

27 1.4. ESTADO DEL ARTE 5 inalámbrico para una unidad de terminal remota y en [Schalk et. al., 2004] un sistema de control de calidad en ambientes industriales usando procesamiento de imágenes. Para aplicaciones en columnas de destilación en [Ramos et. al., 2002] se muestra una aplicación real sobre la cual se han probado diferentes controladores predictivos generalizados (GPCs), el medio de comunicación entre sus dispositivos se realiza mediante el bus de campo PROFIBUS. En [Ramos et. al., 2001] se presenta un control distribuido implementado en una planta piloto. En este trabajo concluyen que el uso de los buses de campo, flexibiliza el control de procesos, así como la ventaja de usar una PC como unidad de control. Con respecto a modelado de columnas de destilación se puede mencionar algunos trabajos, que solo han llegado a la experimentación fuera de línea: Con la introducción de la computadora digital y el desarrollo del control en las cuatro últimas décadas se han realizado estudios más profundos sobre la dinámica de sistemas de destilación. Uno de los primeros en formalizar un algoritmo matemático en una computadora fue Peiser en Otros estudios importantes fueron los de [Rosenbrock, 1960] y [Rademarker et. al., 1975]. Estas personas se consideran los pioneros en la investigación del modelado dinámico, estabilidad, algoritmos de control y posibles soluciones del proceso de destilación. En [Luyben, 1992] se muestra una recopilación de referencias y la contribución de varios autores sobre modelado, control, simulación e identificación de columnas de destilación. El modelado y la simulación del comportamiento dinámico de una columna de destilación de etanol de la industria azucarera se presenta en en [Rueda-Ferreiro, 2000]. La estimación de las fracciones molares líquidas en los platos de una columna de destilación mediante observadores de estado, se aborda en diferentes trabajos. Por mencionar algunos de ellos, en [Quintero et. al., 1991] presentan resultados en simulación para una columna de destilación multicomponente por lotes. En [Deza et. al., 1998] y [Targui, 2000] se encuentran resultados en simulación para una columna de destilación binaria. Para el control de la composición en el hervidor y del fondo de una torre de destilación, en [Torres et. al., 1999] utiliza un control de tipo neuronal. La red neuronal es entrenada fuera de línea, con la finalidad de obtener productos de la pureza deseada.

28 6 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.5. Organización del documento En el Capítulo 2 se definen los conceptos del protocolo MODBUS, utilizado como el sistema de comunicación entre la computadora y la planta piloto. Se muestra la descripción y configuración física de los reguladores de control Digitric 500 que usan el protocolo MODBUS y se proporciona una descripción de la instrumentación conectada a los reguladores de control. En el Capítulo 3 se muestra la arquitectura, los diagramas de flujo y el diagrama jerárquico en el diseño y desarrollo de la estación de monitoreo. En el Capítulo 4 se presenta el producto final y las pruebas experimentales de monitoreo de la instrumentación, manipulación de los lazos de control y manipulación de los actuadores mediante la estación de monitoreo. Se describe la implementación experimental de un observador de estados a la estación de monitoreo para determinar en línea las concentraciones molares. El Apéndice A muestra los artículos generados y publicados: Artículo 1 presentado en la AMCA Desarrollo de una estación de monitoreo y control en línea. Aplicación a una columna de destilación. Artículo 2 presentado en formato WEB de soluciones de usuario de National Instruments R. Sistema de monitoreo y control en línea para una planta piloto de destilación (SPPD). El Apéndice B describe los parámetros y características de la planta piloto de destilación, así como las propiedades físico-químicas metanol y del etanol. El Apéndice C describe el proceso de instalación de la estación de monitoreo en una computadora, así como los requerimientos mínimos para su ejecución. El Apéndice D es un manual del procedimiento de la puesta en marcha de la columna de destilación mediante el uso de la estación de monitoreo, así como la parada de la planta y las medidas de seguridad. El Apéndice E describe el entorno y conceptos básicos de LabVIEW R. El Apéndice F es un manual para implementar algoritmos de control complejo a la estación de monitoreo y las especificaciones de requerimientos necesarios. El Apéndice G describe las características del cromatógrafo de gases que se usó en el proceso de validación del observador de estados en línea.

29 Capítulo 2 Protocolo de comunicaciones MODBUS En este capítulo se presenta la importancia del uso del protocolo MODBUS, como el medio de comunicación entre la computadora y la instrumentación de la columna a través de dos reguladores de control denominados Digitric 500, con los que cuenta la planta de destilación del CENIDET. En la Sección 2.1 se describe la teoría del protocolo de comunicaciones MODBUS, así como, las características del MODBUS para enviar y recibir información de los reguladores de control mediante la computadora personal. En la Sección 2.2 se describen las características técnicas de los reguladores de control Digitric 500. Se explican las características del envío y recepción de datos entre los reguladores de control y la computadora mediante el protocolo MODBUS 7

30 8 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS 2.1. Introducción al protocolo El protocolo MODBUS es un bus de campo, se puede definir como el medio de comunicación entre diferentes equipos de un sistema de automatización, esto puede ser, desde un sensor o un actuador, hasta una computadora o un autómata programable. Los antiguos sistemas de control, basados en grandes computadoras centrales y kilómetros de cableado resultaban ser inapropiados para las exigencias del momento del mercado donde los procesos de fabricación necesitaban de una automatización más flexible, robusta y que además reduzca los costos de instalación y mantenimiento. El protocolo MODBUS fue desarrollado por Modicon a finales de los años 80 s. Este protocolo fue usado como un servidor de comunicaciones cliente maestro-esclavo entre diferentes dispositivos como son los PLCs, debido a su simplicidad y especificación abierta actualmente es utilizado por diferentes fabricantes [Pefhany, 2000]. Entre los dispositivos que lo utilizan se puede mencionar: PLCs, HMI (Human Machine Interface), RTU (Remote Terminal Unit), controladores, sensores y actuadores remotos [MODBUS, 2000]. En el área de las comunicaciones en entornos industriales, la estandarización de protocolos es un tema en permanente discusión, donde intervienen problemas técnicos y comerciales. Cada protocolo está optimizado para diferentes niveles de automatización y en consecuencia responden al interés de diferentes proveedores. MODBUS define una estructura de mensaje que los controladores reconocerán y usarán, independientemente del tipo de redes sobre la que comuniquen. Proporciona el estándar interno que los controladores usan para el análisis de los mensajes. Durante la comunicación sobre una red MODBUS, el protocolo determina cómo cada controlador conocerá su dirección de dispositivo, reconocerá un mensaje direccionado a él, determinará el tipo de acción a tomar y extraerá cualquier dato u otra información contenida en el mensaje. La Figura 2.1 muestra cómo se pueden interconectar los dispositivos en una jerarquía de redes que emplean técnicas de comunicación que difieren ampliamente. En la transacción de mensajes, el protocolo MODBUS integrado en la estructura de paquetes de cada red proporciona el lenguaje común por el cual los dispositivos pueden intercambiar datos [MODBUS, 2000].

31 2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 9 Procesador Principal MB Plus MODBUS Programador P230 MODBUS AT/MC-984 and Host/MMI 984 A/B And S985 BM85 MODBUS Programador P230 MODBUS Dispositivos MODBUS Sobre una RED Figura 2.1: Aplicación general del protocolo MODBUS Transmisión sobre redes MODBUS Los puertos standard MODBUS utilizan una interfaz serie compatible RS-232C. La norma EIA RS-232C define las patillas del conector, cableado, niveles de señal, velocidades de transmisión y control de paridad. Los controladores 1 se comunican usando una técnica maestro - esclavo, en la cual sólo un dispositivo (el maestro) puede iniciar transacciones (llamadas peticiones ). Los otros dispositivos (los esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado, o realizando la acción solicitada en la petición, ver Figura 2.2 [Pefhany, 2000]. A continuación se describen las operaciones de petición-respuesta en la transmisión de información sobre redes MODBUS: La Petición: El código de función en la petición indica al dispositivo esclavo el tipo de acción a realizar. Los bytes de datos contienen cualquier información adicional que el esclavo necesitará para llevar a cabo la función. Por ejemplo el código de función 03 2 pedirá al esclavo que lea registros mantenidos (holding registers) y responda con sus contenidos. El campo de datos debe contener la información que indique al esclavo en 1 En esta sección el término de controladores, se refiere a dispositivos ó equipos que tienen la capacidad de soporte del protocolo MODBUS como medio de comunicación. 2 En la sección se describe los códigos de función en una red MODBUS.

32 10 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Petición MAESTRO Dirección Función Datos Control de Error ESCLAVO Dirección Función Datos Control de Error Respuesta Figura 2.2: Ciclo petición-respuesta, maestro-esclavo. qué registro debe comenzar y cuántos ha de leer. El campo de comprobación de error proporciona un método para que el esclavo valide la integridad del contenido del mensaje recibido. La Respuesta 3 : Si el esclavo elabora una respuesta normal, el código de función contenido en la respuesta es una réplica del código de función enviado en la petición. Los bytes de datos contienen los datos recolectados por el esclavo, tales como valores de registros o estados. Si ocurre un error, el código de función contenido en la respuesta es diferente al código de función enviado en la petición, para indicar que la respuesta es una respuesta de error y los bytes de datos contienen un código que describe el error. El campo de comprobación de error permite al maestro confirmar que los contenidos del mensaje son válidos. El protocolo MODBUS establece el formato para la petición del maestro, colocando en ella la dirección del dispositivo esclavo (0 en caso de difusión 4 ), un código de función que define la acción solicitada, cualquier dato que haya de enviarse y un campo de comprobación de error. El mensaje de respuesta del esclavo está también definido por el protocolo MODBUS. Contiene campos confirmando la acción tomada, cualquier dato que deba devolverse y un campo de comprobación de error. Si el mensaje que se recibe por el esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la acción solicitada, construirá un mensaje de error y lo enviará como respuesta. 3 En la sección se muestran ejemplos del ciclo petición-respuesta en un mensaje MODBUS. 4 Solicita información a todos los dispositivos esclavos.

33 2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO Modos de transmisión serie Los controladores pueden ser configurados para comunicarse sobre redes estándar MODBUS utilizando cualquiera de los dos modos de transmisión: ASCII o RTU. El usuario selecciona el modo deseado, junto con los parámetros de comunicación del puerto serie (velocidad, paridad, etc.), durante la configuración de cada controlador. El modo y los parámetros serie deben ser los mismos para todos los dispositivos conectados a una red MODBUS [MODICON, 1996]. La selección del modo ASCII o RTU tiene que ver únicamente con redes MODBUS estándar. Se definen los bits contenidos en los campos del mensaje transmitido en forma serie en esas redes. Se determina cómo debe ser empaquetada y decodificada, la información en los campos del mensaje. Modo ASCII Cuando los controladores se configuran para comunicarse en una red MODBUS según el modo ASCII (American Standard Code for Information Interchange), cada byte - 8 bits - en un mensaje se envía como dos caracteres ASCII. La principal ventaja de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un segundo entre caracteres sin dar lugar a error [MODBUS, 2000]. El formato para cada byte en modo ASCII es: Sistema de codificación: Hexadecimal, caracteres ASCII 0-9, A-F. Un caracter hexadecimal contenido en cada carácter ASCII del mensaje. Bits por byte: 1 bit de arranque. 7 bits de datos, el menos significativo se envía primero. 1 bit para paridad Par o Impar; ningún bit para No paridad. 1 bit de paro si se usa paridad; 2 bits si no se usa paridad. Campo de comprobación de error: Comprobación Redundante Longitudinal (siglas en inglés LRC ).

34 12 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Modo RTU Cuando los controladores son configurados para comunicarse en una red MODBUS usando el modo RTU (Remote Terminal Unit), cada byte de 8 bits en un mensaje contiene dos dígitos hexadecimales de 4 bits. La principal ventaja de este modo es que su mayor densidad de carácter permite mejor rendimiento que el modo ASCII para la misma velocidad. Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo [MODBUS, 2000]. Sistema de codificación: Binario 8-bits, hexadecimal 0-9,A-F. Dos dígitos hexadecimales contenidos en cada campo de 8 bits del mensaje. Bits por byte: 1 bit de arranque. 8 bits de datos, el menos significativo se envía primero. 1 bit para paridad Par o Impar; ningún bit para No paridad. 1 bit de paro si se usa paridad; 2 bits si no se usa paridad. Campo de comprobación de error: Comprobación Redundante Cíclica (siglas en inglés CRC ) Campos de trama del mensaje MODBUS En cualquiera de los modos de transmisión serie (ASCII o RTU), un mensaje 5 MODBUS es situado por el dispositivo que transmite. Esto permite a los dispositivos receptores comenzar en el arranque del mensaje, leer la parte de la dirección y determinar qué dispositivo es direccionado ( o todos los dispositivos si es una difusión dirección = 0 ) y conocer cuándo se ha completado el mensaje [MODICON, 1996]. El protocolo define una unidad de datos de protocolo simple (PDU ) independiente debajo de la línea de comunicación [MODBUS IDA, 2004]. Básicamente el marco general de envío de datos se muestra en la Figura En MODBUS esto se denomina framing. Figura 2.3: Mensaje general MODBUS.

35 2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 13 El campo de código de funciones es un código de un byte, su rango es de 1 a 255 decimal. Cuando un mensaje es enviado desde un maestro a un dispositivo esclavo (computadora-columna), el código llama al esclavo a que inicie la acción solicitada. El campo de datos del mensaje enviado desde un maestro a un dispositivo esclavo contiene información adicional que el esclavo utiliza para tomar la acción definida por el código de funciones. Este puede incluir campos discretos y dirección de registros. Si no existe un error relacionado a las funciones MODBUS requeridas, el esclavo responderá con los datos solicitados por el maestro. Si existe un error, el mensaje contiene un código de excepción o chequeo de error, que la aplicación de error puede determinar para que en la siguiente acción, ser tomada en cuenta. Campo de direcciones El campo dirección de un mensaje contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU). Las direcciones de esclavo válidas están en el rango de 0 a 247 decimal. Los dispositivos esclavos individuales tienen direcciones asignadas en el rango 1 a 247. Un maestro direcciona un esclavo situando la dirección del esclavo en el campo dirección del mensaje. Cuando un esclavo envía su respuesta, sitúa su propia dirección en el campo dirección de la respuesta, para dar a conocer al maestro qué esclavo está respondiendo. Campo de funciones El campo código de función de un mensaje, contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU). Los códigos válidos están en el rango de 1 a 255 decimal. Cuando un mensaje es enviado desde un maestro a un dispositivo esclavo, el campo del código de función indica al esclavo qué tipo de acción ha de ejecutar. Por ejemplo: leer los estados on/off de un grupo de bobinas 6 o entradas discretas; leer el contenido de datos de un grupo de registros; leer el estado de diagnóstico de un esclavo; escribir en determinadas bobinas o registros o permitir cargar, salvar o verificar el programa dentro del esclavo. 6 En MODBUS el término bobina se refiere a dispositivos que solo tienen dos estados abierto y cerrado.

36 14 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Cuando el esclavo responde al maestro, utiliza el campo del código de función para indicar bien una respuesta normal (libre de error) o que algún tipo de error ha tenido lugar (denominado respuesta de excepción). Para una respuesta normal, el esclavo simplemente replica el código de función original. Para un respuesta de excepción, el esclavo devuelve un código que es equivalente al código de función original con su bit más significativo puesto a valor 1. Por ejemplo, para leer un grupo de registros almacenados en un mensaje, desde un maestro a un esclavo tendría el siguiente código de función: (Hexadecimal 03) Si el dispositivo esclavo ejecuta la acción solicitada, sin error, devuelve el mismo código en su respuesta. Si ocurre una excepción devuelve: (Hexadecimal 83) Además de la modificación del código de función para una respuesta de excepción, el esclavo sitúa un único código en el campo de datos del mensaje respuesta. Esto indica al maestro qué tipo de error ha tenido lugar, o la razón para la excepción. Campo de datos El campo datos, se construye utilizando conjuntos de dos dígitos hexadecimales, en el rango de 00 a FF hexadecimal. Pueden formarse a partir de un par de caracteres ASCII o desde un caracter RTU, de acuerdo al modo de transmisión serie de la red. El campo datos de los mensajes enviados desde un maestro a un esclavo, contiene información adicional que el esclavo debe usar para tomar la acción definida por el código de función. Esto puede incluir partes como direcciones discretas y de registros, la cantidad de partes que han de ser manipuladas y el cómputo de bytes de datos contenidos en el campo. Por ejemplo, si el maestro solicita a un esclavo leer un grupo de registros almacenados (código de función 03), el campo de datos especifica el registro de comienzo y cuántos registros han de ser leídos. Si el maestro escribe sobre un grupo de registros en el esclavo (código de función 10 hexadecimal), el campo datos especifica el registro de comienzo,

37 2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 15 cuántos registros escribir, el cómputo de bytes de datos que siguen en el campo datos y los datos que se deben escribir en los registros. Si no ocurre error, el campo datos de una respuesta desde un esclavo al maestro contiene los datos solicitados. Si ocurre un error, el campo contiene un código de excepción que la aplicación del maestro puede utilizar para determinar la próxima acción a tomar. El campo datos puede ser inexistente (de longitud cero) en ciertos tipos de mensajes. Por ejemplo, en una petición de un dispositivo maestro a un esclavo para que responda con su anotación de eventos de comunicación (código de función 0B hexadecimal), el esclavo no requiere ninguna información adicional. El código de función por sí solo especifica la acción. Campo chequeo de error Existen dos tipos de métodos de comprobación de error en una red MODBUS. El contenido del campo comprobación de error depende del método que se utilice. ASCII Cuando el modo ASCII se usa para la trama del mensaje, el campo Comprobación de Error contiene dos caracteres ASCII. Los caracteres de comprobación de error son el resultado de un cálculo Comprobación Redundante Longitudinal (LRC ) que es realizado sobre el contenido del mensaje. Los caracteres LRC se añaden al mensaje como el último campo que precede a los caracteres del mensaje. RTU Cuando el modo RTU se usa para un mensaje, el campo Comprobación de Error contiene un valor de 16 bits implementado como dos bytes de 8 bits. El valor de comprobación de error es el resultado de un cálculo Comprobación Redundante Cíclica (CRC ) realizado sobre el contenido del mensaje.

38 16 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS El campo CRC se agrega al último campo del mensaje. La forma de hacerlo es, añadir primero el byte de orden bajo del campo, seguido del byte de orden alto. El byte de orden alto del CRC es el último byte a enviar en el mensaje Métodos de comprobación de error Las redes series estándar MODBUS utilizan dos tipos de comprobación de error. La comprobación de paridad (par o impar) puede ser aplicada opcionalmente a cada caracter. La comprobación de la trama (LRC o CRC) es aplicada al mensaje completo. Ambas comprobaciones, de caracter y de trama de mensaje son generadas en el dispositivo maestro y aplicadas a los contenidos del mensaje antes de la transmisión. El dispositivo esclavo comprueba cada caracter y la trama del mensaje completo durante la recepción [MODBUS, 2000]. El maestro se configura por el usuario para aguardar durante un tiempo de espera predeterminado, antes de abortar la transacción. Este intervalo se establece para ser lo suficientemente largo para que cualquier esclavo responda normalmente. Si el esclavo detecta un error de transmisión, el mensaje no será tomado en cuenta. El esclavo no construirá una respuesta para el maestro. Así el tiempo de espera expirará y permitirá al programa del maestro tratar el error. Un mensaje direccionado a un dispositivo esclavo inexistente también causará un error de tiempo excedido (time out 7 ). Control de paridad Los usuarios pueden configurar los controladores para modificar el valor del control de paridad (par o impar) o sin control de paridad. Esto determinará cómo será iniciado el bit de paridad en cada caracter. Si se especifica cualquier control de paridad par o impar, se contabilizará la cantidad de bits que tienen valor 1 en la porción de datos de cada caracter (siete bits de datos para modo ACSII, u ocho para RTU). Al bit de paridad habrá de darse valor 0 o 1, para que se obtenga finalmente un número par o impar, respectivamente, de bits con valor 1. 7 Un timeout es un tiempo que se establece antes de que se reporte una falla.

39 2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 17 Por ejemplo, estos 8 bits de datos forman parte de una trama de carácter RTU: La cantidad de bits de valor 1 en el dato es cuatro. Si se utiliza un control de paridad par, el bit de paridad de la trama debe establecerse en un valor 0, haciendo que la cantidad de bits de valor 1 siga siendo un número par (cuatro). Si se utiliza un control de paridad impar, el bit de paridad deberá tener valor 1, resultando una cantidad de bits de valor 1, impar (cinco). Cuando el mensaje se transmite, el bit de paridad se calcula y se aplica a la trama de cada caracter. El dispositivo receptor cuenta la cantidad de bits de valor 1 y establece un error si no coincide la paridad con la configurada para ese dispositivo (todos los dispositivos en la red MODBUS deben ser configurados para usar el mismo método de control de paridad). Si se especifica un control de tipo No Paridad, no se transmite ningún bit de paridad y no se hace comprobación de paridad. Se transmite un bit de paro adicional para rellenar la trama de caracter. Comprobación LRC (Comprobación Redundante Longitudinal) En modo ASCII, los mensajes incluyen un campo de comprobación de error que está basado en un método de comprobación longitudinal redundante (LRC). El campo LRC controla el contenido del mensaje, a excepción de los ( : ) del comienzo. Se aplica con independencia de cualquier método de control de paridad utilizado para los caracteres individuales del mensaje. El campo LRC es un byte, contiene un valor binario de ocho bits. El valor LRC es calculado por el dispositivo emisor, que añade el LRC al mensaje. El dispositivo receptor calcula el LRC durante la recepción del mensaje y compara el valor calculado con el valor que se recibe en el campo LRC. Si los dos valores no son iguales, resulta un error. El valor LRC se calcula sumando entre sí los sucesivos bytes del mensaje, descartando cualquier acarreo y luego complementando a dos el valor resultante. Se realiza sobre el contenido del campo de mensaje ASCII excluyendo el carácter ( : ) de comienzo del mensaje.

40 18 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Comprobación CRC (Comprobación Redundante Cíclica) En modo RTU, los mensajes incluyen un campo de comprobación de error que se basa en un método de comprobación de redundancia cíclica (CRC). El campo CRC controla el contenido del mensaje completo. Se aplica con independencia de cualquier método de control de paridad que se utilizó para los caracteres individuales del mensaje. El campo CRC es de dos bytes, contiene un valor binario de 16 bits. El valor CRC se calcula por el dispositivo emisor, que añade el CRC al mensaje. El dispositivo receptor calcula el CRC durante la recepción del mensaje y compara el valor calculado con el valor que se recibe en el campo CRC. Si los dos valores no son iguales, resulta un error. Para calcular el valor CRC MODBUS se pre-carga con un registro de 16 bits, todos ellos a 1. Posteriormente empieza un proceso que toma los sucesivos bytes del mensaje y los opera con el contenido del registro y actualiza éste con el resultado obtenido. Sólo los 8 bits de dato de cada caracter se usan para generar el CRC. Los bits de arranque, paro y el bit de paridad, no se tienen en cuenta para el CRC. Durante la generación del CRC, se efectúa una operación booleana OR exclusivo (XOR) a cada caracter de 8 bits con el contenido del registro. Entonces al resultado se le aplica un desplazamiento de bit en la dirección de bit menos significativo (LSB), rellenando la posición del bit mas significativo (MSB) con un cero. Este proceso se repite hasta haber cumplido 8 desplazamientos. Después del último desplazamiento (el octavo), el próximo byte es un operador XOR con el valor actual del registro y el proceso se repite con ocho desplazamientos más. El contenido final del registro, después de que todos los bytes del mensaje han sido procesados, es el valor del CRC Datos y funciones de control En esta sección, la expresión de los valores numéricos (tales como direcciones, códigos, o datos) se expresan como valores decimales en el texto. Son expresados como valores hexadecimales en los campos del mensaje de las figuras. Todas las direcciones de datos en un mensaje MODBUS están referidas a cero. Por ejemplo:

41 2.1. INTRODUCCIÓN AL PROTOCOLO 19 La bobina conocida como ( bobina 1 ) en un controlador programable se direcciona como una bobina 0000 en el campo de dirección de datos de un mensaje. La bobina 127 decimal se direcciona como una bobina 007E hexadecimal (126 decimal). Los registros almacenados son direccionados como un registro 0000 en el campo de direcciones de datos del mensaje. La función del campo de código especifica la operación de un registro. Los registros almacenados son direccionados como un registro 006B hexadecimal (107 decimal) En la Figura 2.4 se muestra la organización de los datos en un dispositivo, se tiene entradas/salidas digitales/analógicas. Cada bloque esta separado, ya que los datos de cada bloque no tienen ninguna correlación. Cada bloque es accesible con las diferentes funciones [MODBUS IDA, 2004]. Acceso MODBUS Memoria de dispositivo Entrada discreta Solicitud MODBUS Bobina Registro de entrada Registro de almacenamiento Dispositivo servidor MODBUS Figura 2.4: Bloque separado con modelos de datos MODBUS.

42 20 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Contenido del campo La Figura 2.5 muestra un ejemplo de un mensaje de petición MODBUS. La petición del maestro es una solicitud de lectura de registros almacenados, al dispositivo esclavo con dirección 06. El mensaje solicita datos numéricos de tres registros almacenados, al Observe que el mensaje especifica la dirección de comienzo como 0107 (006B hex). PETICIÓN Datos del Ejemplo Caracteres Campo 8 bits Nombre del campo (Hex) ASCII RTU Cabecera : ( dos puntos ) Dirección del esclavo Función Dirección comienzo alto Dirección comienzo bajo 0B B No. Registro alto No. Registro bajo Comprobación de error LRC (2 caract) CRC(16 bits) Terminación CR Ninguno LF Total Bytes: 8 Figura 2.5: Petición del maestro con trama ASCII/RTU. La Figura 2.6 es un ejemplo de una respuesta normal. La respuesta del esclavo replica el código de función, indicando que esto es una respuesta normal. El campo cómputo de bytes especifica cuántas unidades de datos de 8 bits se devuelven. Muestra la cantidad de bytes de datos que vienen a continuación, bien ASCII o RTU 8. En el modo ASCII, este valor representa la mitad del cómputo real de caracteres ASCII en el dato, ya que en este modo, cada dígito hexadecimal de 4 bits requiere un carácter ASCII y por lo tanto, deben haber dos caracteres ASCII para contener cada unidad de dato de 8 bits. Por ejemplo, el dato: 63 hex se envía como un byte (ocho bits) en modo RTU ( ). El mismo valor, enviado en modo ASCII requiere dos caracteres ASCII, el ASCII (6) ( ) y el ASCII (3) ( ). El campo Cómputo de bytes contabiliza este dato como un solo dato de 8 bits, con independencia del método de trama de caracter (ASCII o RTU). 8 Sólo en el modo RTU coincide con el número de bytes de datos.

43 2.2. REGULADORES DE CONTROL 21 RESPUESTA Datos del Ejemplo Caracteres Campo 8 bits Nombre del campo (Hex) ASCII RTU Cabecera : ( dos puntos ) Ninguno Dirección del esclavo Función Cómputo de bytes Dato Alto Dato Bajo 2B B Dato Alto Dato Bajo Dato Alto Dato Bajo Comprobación de error LRC (2 caract) CRC(16 bits) Terminación CR Ninguno LF Total Bytes: Figura 2.6: Respuesta de un esclavo con trama ASCII/RTU Reguladores de control Toda la instrumentación de la planta piloto de destilación se conecta a dos reguladores, denominados Digitric 500 de la marca ABB R. Estos dispositivos son controladores con un amplio espectro de aplicaciones ilimitadas en muchos campos industriales: ingeniería mecánica, de plásticos, textiles, azúcar, cerámicas, industria cementera, ambiente de protección y laboratorios e instituciones tecnológicas [Digitric a, 2000], [Digitric 500, 2001]. La importancia del conocimiento y uso de estos reguladores se basa en la capacidad de soporte del protocolo MODBUS para la conexión de sistemas de alto nivel, además de que permite contar con un gran número de características: Entrada universal para el control de variables (ma, termoresistencias, de temperatura, etc.) con rangos de medición configurable. Entradas/salidas digitales configurables. 2 salidas de relevador. Acciones de control PID, PI, PD, P.

44 22 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Programación integrada (10 programas). Capacidad de Bus RS485 para Interfaz MODBUS RTU 9. 4 lazos de control con alarmas. Configuración del puerto serie para la interfaz entre la computadora. Memoria de almacenamiento datos EPROM. Figura 2.7: Regulador Digitric Información técnica El panel frontal provee la información del estado del proceso y realiza la posible intervención selectiva en la acción del proceso. Los despliegues numéricos y la información de texto claro permite precisar la lectura y escritura del punto de ajuste (set point) y la corrección de los valores, así como en el envío de la información hacia la computadora [Digitric b, 2000]. La correcta comunicación entre los dos reguladores y la computadora, deberá estar definida con los siguientes parámetros 10 : 9 MODBUS RTU: Modo de transmisión serial. Cuando los controladores son configurados para comunicarse en una red MODBUS usando el modo RTU (Remote Terminal Unit), cada byte de 8 bits en un mensaje contiene dos dígitos hexadecimales de 4 bits. 10 La capacidad de rango de baudios debe tener la misma configuración entre la computadora y el panel de los reguladores para asegurar la comunicación entre la planta piloto y la computadora, por defecto 9600 baudios.

45 2.2. REGULADORES DE CONTROL 23 Tabla 2.1: Parámetros de configuración. Regulador 1 Regulador 2 Dirección Rango baudios Instrumentación conectada a los reguladores de control A continuación se describe brevemente la instrumentación de la planta piloto de destilación conectada a los reguladores de control Digitric 500, con la finalidad de conocer posteriomente los registros de cada dispositivo en el protocolo de comunicaciones MODBUS. i) Componentes de la columna La columna está formada por una estructura de acero inoxidable AISI 304, 10 platos, un condensador y un hervidor (ver Figura 2.8). En la Figura 2.9a muestra un plato perteneciente a los 10 con los que cuenta la planta piloto. En el interior de los 10 platos perforados se efectúa la transferencia de masa entre las dos fases Líquido-Vapor y distribuidos en la columna (ver la Figura 2.9b). ii) Hervidor (C1) El hervidor, permite llevar a cabo la destilación proporcionando el calor necesario a la columna de destilación mediante una termoresistencia eléctrica de calentamiento (J2), (ver Figura 2.10a), ubicada en el interior del hervidor. La máxima potencia calefactora suministrada por la termoresistencia del hervidor es de 2500 Watts con una capacidad de 6L, (ver Figura 2.10b).

46 24 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Figura 2.8: Planta piloto de destilación. a Plato. b Sección del cuerpo de la columna. Figura 2.9: Cuerpo de la columna.

47 2.2. REGULADORES DE CONTROL 25 a Termoresistencia de precalentamiento. b Hervidor. iii) Condensador (E1) Figura 2.10: Partes que integran al Hervidor. El condensador (E1) (ver la Figura 2.11a) se constituye básicamente por: Un recipiente de acero inoxidable tipo tubo-tubo [E.Veneta, 1998]. Contiene el líquido refrigerante (agua) suministrado por una bomba externa a la planta piloto y se regula a través de la apertura proporcional de una válvula neumática (FV1) (ver la Figura 2.11b). El refrigerante y el vapor a condensar están separados por un superficie de intercambio de calor tubular, el vapor a condensar fluye a través de un tubo helicoidal en contracorriente al líquido refrigerante. iv) Válvula de reflujo (EV1) El reflujo permite que parte del vapor condensado sea colectado como producto destilado y parte regrese a la columna, éste reflujo se controla mediante la electroválvula de tres vías (EV1), que se localiza a la altura del condensador (ver la Figura 2.12). Los tiempos de apertura y cierre conmutación de la válvula de reflujo son controlados por medio de dos temporizadores Estos temporizadores pueden ser ajustados mediante el sistema de monitoreo desarrollado en este trabajo de tesis.

48 26 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS a Condensador. b Válvula de control para el flujo del agua. Figura 2.11: Parte superior de la columna. Figura 2.12: Electroválvula de reflujo. v) Deposito de alimentación (D1) La mezcla de alimentación se almacena en el deposito D1 (capacidad de 15 L), (ver Figura 2.13a). La temperatura de la mezcla de alimentación es controlada mediante la termoresistencia eléctrica de precalentamiento (J1). En la Figura 2.13c se muestra la resistencia de precalentamiento J1. La alimentación es suministrada mediante una bomba dosificadora, (Figura 2.13b). Debido a que la alimentación se lleva a cabo de forma intermitente, se hace una interpo-

49 2.2. REGULADORES DE CONTROL 27 a Deposito de alimentación. b Bomba de alimentación. c Termoresistencia de precalentamiento. Figura 2.13: Alimentación de la mezcla. lación 12 de varios puntos de operación de la bomba, con el fin de conocer una función para calcular el flujo volumétrico suministrado a la columna a partir de la frecuencia de bombeo. Con la ecuación se trata de obtener una relación entre la frecuencia de bombeo con el flujo de alimentación, para esto es necesario realizar un experimento, el cual consiste en suministrar agua a diferentes frecuencias de bombeo y el flujo suministrado se toma del plato de alimentación de la columna. Se determina la cantidad de flujo de alimentación medido en mililitros por minuto. La Figura 2.14 muestra una gráfica de una función lineal interpolando varios puntos de operación de la bomba. Esta función calcula el flujo volumétrico (F V ) suministrado a la columna y esta dada por la siguiente ecuación: F V = (G1) (2.1) donde: F V Flujo volumétrico en la alimentación (ml/min). G1 Frecuencia de alimentación ( %). 12 Aproximación o ajuste de datos a una ecuación matemática.

50 28 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Figura 2.14: Interpolación de los puntos de operación de G1. vi) Bomba de vacío (G2) La planta piloto de destilación además de operarse a presión atmosférica, cuenta con una bomba de vacío de anillo líquido (Figura 2.15) y una válvula neumática para la regulación de la presión residual de la planta, con lo cual existe la posibilidad de operar la columna a presiones menores a la de la atmósfera. En este trabajo, la columna de destilación se opera a presión atmosférica. Figura 2.15: Bomba de anillo líquido.

51 2.2. REGULADORES DE CONTROL 29 H2O FC1 TI10 FT1 FV1 FI1 V7 V8 L2 Control de Flujo TI9 E1 EV1 TI11 PI1 PSV1 V1 V2 V3 L1 Control de Temperatura V9 TI8 TI7 TI6 V10 E3 V23 D1 V4 V5 TT1 TI1 TC1 J1 V6 V11 TI2 TI5 TI4 TI3 C1 V12 Pdl1 V27 E1 V17 TI12 V15 E2 H2O D2 V16 V18 V20 V19 V21 PT1 PI1PC1 L3 D3 D4 LT1 LC1 PV1 ATM H2O G1 J2 V14 H2O V25 EV2 V24 Control de Presión G2 V26 Figura 2.16: Diagrama de instrumentación vii) Lazos de control La planta piloto cuenta con tres lazos de control gobernados por los reguladores Digitric 500. Estos lazos se muestran en las áreas punteadas del esquema de la PPD (ver la Figura 2.16). Estos lazos de control se encuentran gobernados por los reguladores de control Digitric 500, mediante los cuales, se configuran los parámetros de sintonía de los controladores, los valores de entrada y de salida. A continuación se describe los lazos de control: L1. Control de temperatura (TIC1). El primer lazo de control se encarga de controlar la temperatura de la mezcla de alimentación en la columna, con lo cual se afecta al flujo de vapor V y al de líquido L presentes en cada uno de los platos de la columna de destilación. Dicho control se logra por medio de la termoresistencia de precalentamiento J1, que es la que transfiere la energía a la mezcla. L2. Control de flujo de agua (FIC1). Este lazo controla el flujo de agua al condensador y dicho lazo afecta de forma directa el flujo de líquido L en los platos, ya que al tener variación del flujo de líquido de enfriamiento, varía el porcentaje de líquido que se condensa. El control se logra manipulando la válvula neumática

52 30 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS (FV1), ésta regula el flujo que pasa por el serpentín del condensador teniendo una condensación más rápida o más lenta del vapor que ingresa al condensador. Por medio del dispositivo indicador (FI1) se puede visualizar el flujo de líquido de enfriamiento. A la entrada y salida del condensador se tienen dos sensores de temperatura (TI10 y TI11 respectivamente), con lo cual puede ser calculada la transferencia de calor del condensador. L3. Control de presión (PIC1). Este lazo es encarga de controlar la presión de operación de la columna. La bomba de vacío de anillo líquido tiene la capacidad de llevar la presión dentro de la columna a un punto menor a la de la atmósfera y el control se logra por medio de la válvula de venteo PV1. viii) Otras partes Existen otras partes no menos importantes de la planta piloto de destilación que a continuación se listan (ver diagrama de instrumentación en la Figura 2.16): Depósito graduado de recuperación del producto destilado, capacidad 1 L, (D3). Depósito de recuperación del producto de fondo, capacidad 4 L, (E4). 12 sensores de temperatura tipo RTDs, cubierta de acero inoxidable (TI1-TI12). 12 indicadores electrónicos de temperatura, rango o C (TI1-TI2). Transmisor de flujo de área variable, (FI1). Transmisor de nivel, (LT1). Transmisor electrónico de presión diferencial, (PdI1). 2 temporizadores para los reguladores de la razón de reflujo y la regulación de la toma de destilado. A continuación se resume mediante tablas, los dispositivos conectados a cada regulador. Se especifica el tipo de variable, si es manipulada, controlada o monitoreada.

53 2.2. REGULADORES DE CONTROL 31 Tabla 2.2: Elementos monitoreados y controlados en Digitric 1. Regulador 1 Variable a. Temperatura del flujo de alimentación (TIC1), rango % controlada b. Flujo de agua al condensador (FIC1), rango % c. Presión en la columna (PIC1), rango % Variable manipulada Variable monitoreada a. Potencia de resistencia de precalentamiento (J1) b. Apertura proporcional válvula (FV1) c. Apertura proporcional válvula (PC1) On/off Válvula de reflujo (EV1) On/off bomba de alimentación (G1) Dosificación de alimentación (G1), rango % Temperaturas 1 a la 6 (T1-T6) Flujo de agua al condensador (FIC) Presión en la columna (PIC) Tabla 2.3: Elementos monitoreados y controlados en Digitric 2. Regulador 2 Variable d. Temperatura del hervidor (C1), rango % controlada Variable manipulada Variable monitoreada d. Potencia de la termoresistencia (J2) On/off de la termoresistencia (J1) On/off de la termoresistencia (J2) On/off bomba de vacío (G2) Temperaturas 7 a la 12 (T7-T12) Medidor de nivel (LI1) Medidor de presión diferencial (Pdi1) Regulador 1, contiene tres dispositivos que pueden ser controlados, ocho para monitoreo, y seis dispositivos que pueden manipularse. En la Tabla 2.2 se muestran estos dispositivos, así como la sigla con la que se identifica en la columna de destilación 13. Regulador 2, contiene un dispositivo a controlar, ocho variables monitoreadas, un dispositivo a manipular y tres dispositivos de estado on-off. En la Tabla 2.3 se muestran estos dispositivos, así como la sigla con la que se identifica en la columna de destilación. 13 En las tablas se muestran las variables controladas y sus correspondientes variables manipuladas mediante una relación de letras.

54 32 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Conexiones físicas de Digitric 500 Los reguladores de control Digitric 500, tienen diferentes módulos de entrada para conectar los dispositivos físicos de la columna (ejemplos: resistencias de precalentamiento, RTDs, etc.). En la Figura 2.17 se muestra la parte posterior del regulador, donde se conectan los módulos y dispositivos de la columna de destilación: Figura 2.17: Señales de conexión, módulos y PC. A continuación se explica brevemente los módulos con los que están equipados los reguladores Digitric 500 [Digitric a, 2000]: AE4 ma: Módulo de entrada analógica 4 x ma. Soporte de 4 entradas analógicas, 0/ ma con separación de potencia eléctrica (ver la Figura 2.18a). AE2 PT 3/4L: Módulo de entrada analógica 2 x PT100 de 3/4 cables de conexión. Soporte de 2 entradas analógicas para PT100 de 3 ó 4 cables de conexión (ver la Figura 2.18b). AA3 ma: Módulo de salida analógica 3 x ma. Soporte de 3 salidas analógicas de 0/ ma a 750Ω, prueba de corto circuito y circuito abierto (ver la Figura 2.18c). BA4 REL: Módulo de salida digital 4 x relays. Soporte de 4 salidas a relevador con contacto normalmente abierto (ver la Figura 2.18d).

55 2.2. REGULADORES DE CONTROL 33 R2-232: Módulo de interfaz serie. Solo se puede usar en la entrada de módulo 4 14 )(ver la Figura 2.18e). AE4 ma MUS: Módulo de entrada analógica 4 x ma con fuente de alimentación. Soporte de 4 entradas 0/ ma ó 0/ V (ver la Figura 2.18f). a Módulo AE4 ma. b Módulo AE2 PT 3/4L. c Módulo AA3 ma. d Módulo BA4 REL. e Módulo R f Módulo AE4 ma MUS. Figura 2.18: Módulos de los reguladores Digitric El módulo correspondiente a la interfaz serie se muestra en la Figura 2.17.

56 34 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Mediante el esquema mostrado en la Figura 2.19, se pueden conectar diferentes dispositivos a la base de conexión de señales de los reguladores Digitric 500 [Digitric b, 2000]. Figura 2.19: Base de conexión de Digitric V ent 7 Entrada analógica 1 AO01 Salida analógica (0/ ma) 2 Entrada de la fuente de alimentación 8 Entrada analógica 1 AI01 Entrada universal 3 Puerto binario 1 (un puerto binario 9 Entrada analógica 1 AI02 Entrada adicional puede ser usado como entrada o 10 Entrada analógica 2 B Conector en caso de transmitir o salida binaria 11 Entrada analógica 2 de fuente por la terminal 1 4 Puerto binario 2 12 Entrada analógica 2 B01,02 Entrada o salida binaria 5 Potencial cero 14 Salida analógica 1 B03,04 Salida de relevador 6 Entrada analógica 1 21-V i nt Fuente de alimentación de 2 cables 24-V: ext Fuente de alimentación externa Transferencia de datos de los reguladores De las características de los reguladores, cualquier número de dispositivos pueden especificarse para operar en un solo bus. El número de dispositivos depende de la tecnología

57 2.2. REGULADORES DE CONTROL 35 de transmisión usada: - RS232 para conexión con un maestro (configuración computadora o modem). - RS495 para conexión máxima de 32 equipos (incluyendo el maestro). Características del mensaje (frame) El telegrama comprende una serie de información de 1/0. El valor transmitido se divide en un byte (8 bits). Cada uno de estos bits se complementa por: 1 bit de inicio, opcional 1 bit de paridad, 1 bit de paro [Digitric 500, 2001]. El mensaje del MODBUS para el regulador de control tiene la siguiente estructura: pausa dirección función dato error pausa 1 byte 1 byte n bytes 2 bytes Funciones Esta característica del mensaje de datos del MODBUS determina los códigos que soporta el regulador de control Digitric 500. En la Tabla 2.4 se muestra el valor de código de funciones, la designación del código y la función que realiza dentro del mensaje de transmisión MODBUS [Digitric 500, 2001]. Tabla 2.4: Funciones permitidas del regulador Digitric 500. Código Designación Función 01 Read coil status Lectura de valores binarios 03 Read holding registers Lectura de valores real, enteros, doble enteros 04 Read input registers Corresponde a la función 03, el cual es preferible 05 Force single coil Conjunto de valores binarios. 06 Preset single register Conjunto de valores enteros. 15 Force multiple coils Conjunto de valores binarios sucesivos. 16 Preset multiple registers Conjunto de valores enteros sucesivos.

58 36 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS Rango de valores En la Tabla 2.5 se muestran los tipos de datos que soportan los reguladores de control, los cuales son de tipo real, entero, doble entero y booleano. Los de tipo real trabajan en el formato IEEE (32 bits) y requiere de una conversión para su lectura (ejemplo en LabVIEW R ). Los datos de tipo entero y doble entero no requieren de conversión, por último, los datos de tipo booleano, se usan para instrumentos donde se requieren dos estados (on-off) [Digitric 500, 2001]. Tabla 2.5: Rango de valores del regulador Digitric 500. Valor Rango Real e e 39 Entero Doble entero Booleano 0 y Registro de MODBUS La información necesaria de las direcciones o registros para enviar/recibir datos de la instrumentación de la columna de destilación hacia la computadora, se obtiene a partir de las características técnicas y los módulos conectados a los reguladores de control, así mismo, el uso del diagrama eléctrico del manual de usuario de la columna de destilación [E.Veneta, 1998] y del manual de la interfaz del regulador de control Digitric 500 [Digitric 500, 2001]. En la primer columna de la Tabla 2.6 se proporciona las direcciones o registros que se identifican en el protocolo MODBUS, en la segunda columna su clasificación, la tercer columna indica el tipo de dato que soporta, la cuarta columna indica la descripción física de conexiones del módulo y por último, en la quinta columna se proporcionan las siglas de los dispositivos conectados. En algunas direcciones de registro se proporciona la conexión de dos dispositivos. Cada dispositivo se podrá leer/escribir mediante la identificación de las direcciones del

59 2.2. REGULADORES DE CONTROL 37 regulador, al cual esta conectado dicho dispositivo, (ver la Tabla 2.1). Por ejemplo: si se requiere leer la variable de temperatura (T1), su dirección de registro es 0 conectado al regulador 1 con dirección 01. Para el caso de lectura del sensor de nivel (LI1) la dirección de registro es 0 conectado al regulador 2 con dirección 03. Tabla 2.6: Registros MODBUS del regulador 1. Registro Designación Dato Descripción Sigla 0 AE01 Real Entrada analógica 1 T1, LI1 2 AE02 Real Entrada analógica 2 FIC1, Pdi1 4 AE11 Real Módulo 1 Entrada analógica 1 T7 6 AE12 Real Módulo 1 Entrada analógica 2 T8 12 AE21 Real Módulo 2 Entrada analógica 1 T5, T9 14 AE22 Real Módulo 2 Entrada analógica 2 T6, T10 20 AE31 Real Módulo 3 Entrada analógica 1 PIC1, T11 22 AE32 Real Módulo 3 Entrada analógica 2 T2, T12 24 AE33 Real Módulo 2 Entrada analógica 3 T3 26 AE34 Real Módulo 2 Entrada analógica 4 T4 70 AA01 Real Salida analógica 1 TC1 184 L1 PID OUT Real Salida del controlador PID TIC1 196 L1 yhand Real Corrección valor manual L1M 230 L1 wsoll0 Real Setpoint 1 J1 334 L2 PID OUT Real Salida del controlador PID FIC1 346 L2 yhand Real Corrección valor manual L2M, J2 380 L2 wsoll0 Real Setpoint 1 FC1 483 L3 PID OUT Real Salida del controlador PID PIC1 496 L3 yhand Real Corrección valor manual L3M 530 L3 wsoll0 Real Setpoint 1 PC1 646 L4 yhand Real Corrección valor manual G1 221 BA01 Bool Salida booleana01 J2 223 BA03 Bool Salida booleana03 EV1, G2 224 BA04 Bool Salida booleana04 G1, J1

60 38 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

61 Capítulo 3 Diseño y desarrollo de la estación de monitoreo En este capítulo se describe el desarrollo de la estación de monitoreo de la planta piloto de destilación, el diagrama jerárquico del programa de la estación, los diagramas de bloques desarrollados mediante la herramienta comercial LabVIEW R y el uso del protocolo de comunicaciones MODBUS que es parte integral en el diseño de la estación de monitoreo. En la Sección 3.1 se enumeran las herramientas utilizadas para desarrollar el sistema de monitoreo, se explican los diagramas de bloques para realizar las tareas de adquisición, presentación y almacenamiento de datos de la instrumentación de la planta piloto de destilación. 39

62 40 CAPÍTULO 3. DISEÑO Y DESARROLLO DE LA ESTACIÓN DE MONITOREO 3.1. Diagramas de bloques Para el monitoreo y control de la planta piloto de destilación, se requiere de una programación que proporcione una interfaz gráfica y amigable al usuario, para esto se utilizó LabVIEW R, que es un programa de cómputo para realizar las tareas de adquisición, análisis y presentación de datos. Adicionalmente se utilizan algunas herramientas que permiten el desarrollo de la estación de monitoreo: MODBUS Library. Librería encargada de lectura/escritura a dispositivos sobre una red de comunicaciones MODBUS. LabVIEW PID Control Toolset. Esta herramienta permite implementar algoritmos de control realizados en Simulink R. Combina las funciones del control PID y de lógica difusa. LabVIEW Report Generation Toolkit. Provee la herramienta para crear y editar reportes en formato Microsoft R Word y Excel. El ambiente jerárquico generado para la estación de monitoreo se muestra en la Figura 3.1. Permite la lectura y/o escritura a los diferentes dispositivos de la planta piloto de destilación, mediante el ciclo petición-respuesta de MODBUS (ver la Figura 2.2). En el ambiente jerárquico, la estación de monitoreo tiene la capacidad de función como sistema maestro, el cual solicita a los dispositivos esclavos (reguladores de control Digitric 500) la información de datos y/o la ejecución de acciones a la instrumentación de la planta piloto, mediante el protocolo de comunicaciones MODBUS. En el diseño de la estación de monitoreo se tienen cuatro principales operaciones a realizar: la primera de ellas corresponde a la aplicación de control de botones y barra de menú. La segunda aplicación se encarga de leer/escribir datos a la instrumentación conectada a los dispositivos Digitric 500. La tercera aplicación almacena los datos de todas las variables implicadas en la destilación y por último el subprograma que contiene las aplicaciones llamadas desde la barra de menú o botones. A partir de estas consideraciones se genera un diagrama de flujo principal encargado de monitorear y manipular los dispositivos de la columna de destilación. Estas acciones se ejecutan simultáneamente utilizando ciclos While como se muestra en el diagrama de flujo principal de la Figura 3.2.

63 3.1. DIAGRAMAS DE BLOQUES 41 MAESTRO Estación de monitoreo Ciclo petición-respuesta MODBUS Formato ESCLAVOS Digitric 500 Manejador de registros Sensores de temperatura Control TIC1 Control LIC1 Control PIC1 Actuadores Figura 3.1: Jerarquía de la estación. Inicio Inicializar controles e indicadores 1 Aplicación control botones MODBUS escritura lectura Aplicación guardar datos Aplicación Ejecutar acciones 1 No Salir programa principal Si Cerrar aplicaciones Fin Figura 3.2: Diagrama de flujo principal. A continuación se explican los bloques que integran el diagrama de flujo principal mostrado en la Figura 3.2 para el desarrollo de la estación de monitoreo:

64 42 CAPÍTULO 3. DISEÑO Y DESARROLLO DE LA ESTACIÓN DE MONITOREO Inicializar controles e indicadores Este subprograma se encarga de asignar un valor igual a cero a los controles 1 e indicadores de la pantalla principal del sistema de monitoreo, antes de ejecutar la aplicación de lectura/escritura de dispositivos. Los controles de tipo booleano se inicializan a un estado apagado (off), con la finalidad de no activar ningún dispositivo antes de iniciar la manipulación de la columna. Posteriormente se comprueba que la comunicación y configuración del puerto serie esté correcta, para esto, se deshabilitan algunas aplicaciones de la barra de menú y botones de la estación de monitoreo, con esto se asegura verificar la conexión y configuración del puerto serie. Se incluye la rutina para leer la configuración del puerto serie del protocolo MODBUS y además un mensaje de error cuando la comunicación entre la computadora y la columna de destilación es incorrecta. La Figura 3.3 muestra el proceso del subprograma de inicio de controles e indicadores. Inicio Inicializar controles e indicadores Deshabilitar barra de botones y menú Leer configuración puerto serie Crear arreglos de datos Salir Figura 3.3: Subprograma, inicializar controles e indicadores Aplicación control de botones Se lleva a cabo mediante el uso de estructuras de eventos, que consta de uno o más subdiagramas o casos. El valor conectado a la terminal de selección de la estructura de eventos determina cual caso debe ejecutarse utilizando los iconos de la barra de botones 1 El término de controles, que se usa en éste capítulo y sus secciones, indica un dispositivo gráfico dentro de la pantalla principal de la estación de monitoreo y que permite manipular dispositivos físicos de la columna.

65 3.1. DIAGRAMAS DE BLOQUES 43 o desde la barra de menú. El proceso a seguir verifica cual icono fue seleccionado, ejecuta la acción llamando al subprograma VI Aplicaciones. Si es accionado otro programa, verifica cual fue y a ejecuta la acción, en otro caso, este programa se encuentra en un tiempo de espera hasta ser solicitado (ver Figura 3.4). Inicio Cual botón se activo? Ejecutar Subprograma VI Aplicaciones Se activo otro botón? Si No Salir Figura 3.4: Subprograma, control de barra de botones o menú Lectura/escritura de las variables mediante MODBUS Este subprograma se encarga de leer y/o escribir datos a cada dispositivo de la columna de destilación, mediante el protocolo de comunicaciones MODBUS, la herramienta MODBUS Library y los registros de instrumentación con la que cuenta la planta piloto (ver la Tabla 2.6). Consiste de seis subrutinas que se ejecutan secuencialmente para escribir/leer los datos de cada dispositivo de la columna utilizando el ciclo petición-respuesta del MODBUS (ver Figura 2.2) enviadas en tiempo real a cada indicador de la estación. El proceso consiste en ejecutar actividades secuencialmente, las dos primeras se encargan de la lectura de datos provenientes de los dispositivos analógicos (ejemplo: sensores de temperatura, nivel, etc.) conectados al regulador 1 y posteriormente los del regulador 2. La tercera y cuarta secuencia se encargan de escribir datos a los dispositivos analógicos conectados a los reguladores 1 y 2. Las dos últimas secuencias tienen la finalidad escribir datos tipo on/off de los dispositivos conectados a los reguladores 1 y 2. En la Figura 3.5, se muestra el diagrama a bloques de este subprograma.

66 44 CAPÍTULO 3. DISEÑO Y DESARROLLO DE LA ESTACIÓN DE MONITOREO Inicio Leer dispositivos analógicos del regulador 1 y 2 Escribir a dispositivos analógicos del regulador 1 y 2 Escribir a dispositivos boleanos del regulador 1 y 2 Salir de la estación? No Si Salir Figura 3.5: Subprograma, leer y/o escribir datos de instrumentos Aplicación guardar datos Este subprograma se encarga de almacenar los datos provenientes de la instrumentación de la columna de destilación para generar un reporte en formato Excel. Se utiliza Report Generation Toolkit. El tiempo de muestreo se programa de 3 segundos. En la Figura 3.6 se muestra el diagrama de flujo, donde se genera el archivo de almacenamiento de datos, la estructura de éste archivo tiene la siguiente forma: (Experimentodd-mm-aa.dat) 2. Posteriormente se crean tres arreglos de 2 dimensiones (2D) con una longitud indefinida que tienen como fin, almacenar los datos en cada periodo de muestreo donde: el primer arreglo almacena los tiempos de muestreo, el segundo arreglo almacena los datos de los dispositivos analógicos y por último el tercer arreglo almacena datos de dispositivos tipo on/off de la columna de destilación. Simultáneamente se genera un indicador, que integra los tres arreglos; en LabVIEW R a este tipo de indicador se le denomina Cluster. Permite enviar la información de los datos para el reporte en Excel. 2 El archivo se crea con el día-mes-año de uso de la columna.

67 3.1. DIAGRAMAS DE BLOQUES 45 Inicio Crear el nombre del experimento.dat Crear tres arreglos 2D para tiempo, controles e indicadores, n=0, Store[n], controles[n] Leer datos de dispositivos (data1, data2). Almacenar Tiempo[n+1]=tiempo Store[n+1]=data1 Controles[n+1]=data2 Crear variable Cluster de los datos tiempo, store, controles Salir de la estación? No Salir Si Figura 3.6: Subprograma, guardar datos de instrumentos Aplicación ejecutar acciones Este subprograma contiene las aplicaciones que se ejecutan desde la barra de menú o botones. El diagrama de flujo del subprograma VI Aplicaciones se muestra en la Figura 3.7. Cada aplicación se ejecuta al seleccionar el ícono de la barra de botones o desde el menú, con la característica de ejecución simultánea, esto es, seleccionar diferentes aplicaciones como son: gráficas de temperatura, control de lazos, selección de parámetros, gráfica de parámetros, control de la electroválvula, recuperar datos, generar reporte y el cálculo de las concentraciones mediante el observador de estados 3. A continuación se explican los bloques que integran el subprograma VI Aplicaciones : 3 La implementación del observador se explica en la sección 4.2

68 46 CAPÍTULO 3. DISEÑO Y DESARROLLO DE LA ESTACIÓN DE MONITOREO VI aplicaciones 1 Aplicación Gráficas de temperaturas Aplicación Control de lazos Aplicación Selección de parámetros Aplicación Gráfica de parámetros Aplicación Observador de estados Aplicación Control on/off de EV1 Aplicación Recuperar datos Aplicación Generar reporte 1 No. acción ejecutar ninguna Regresar programa principal Figura 3.7: Subprograma VI aplicaciones. i) Aplicación Gráficas de temperatura En el diagrama de flujo de la Figura 3.8 se indica la lectura de un arreglo de dos dimensiones de la temperatura T1 hasta T12, se determina la longitud del arreglo de cada temperatura y se muestra en línea los valores para cada gráfica, estás gráficas se actualizan agregando los nuevos datos leídos de los doce sensores RTDs tipo PT100 mediante las variables provenientes de la aplicación leer/escribir datos, a estas variables se le llaman en LabVIEW R Variables Globales. Simultáneamente se tiene las opciones o sub-aplicaciones llamadas: selección de gráficas, organizar gráficas tipo mosaico, propiedades de las gráficas, propiedades de los ejes de gráficas. Estas opciones se ejecutan mediante la selección del botón correspondiente. En la opción de selección de gráficas se detecta las gráficas disponibles, se inicializan los controles de selección, se crea una variable de tipo arreglo Array[Tempe] para introducir la información de cuales gráficas han sido seleccionadas a mostrar en el panel principal de Gráficas de temperatura. En la opción gráficas tipo mosaico, se detecta cuales gráficas han sido seleccionadas mediante el arreglo Array[Tempe], se calcula el tamaño correcto de cada gráfica de temperatura seleccionada y en base a las propiedades de largo y alto de la pantalla Gráficas de temperatura, se determina los tamaños y las posiciones de las gráficas. En la opción propiedades de gráficas, mediante el uso de las propiedades llamadas en LabVIEW R property nodes (propiedades del nodo), se modifican las características de la

69 3.1. DIAGRAMAS DE BLOQUES 47 gráfica, colores, fondo, tipo de indicador, etc. Si no requiere algún cambio en la presentación de las gráficas, existe la opción default para dejar las características predefinidas de este trabajo desarrollado. En la opción configuración de ejes de gráficas, se determina el tamaño de los ejes X, Y para poder modificar la escala de los ejes de las gráficas. Este proceso se realiza con el uso de property nodes. Inicio Leer el arreglo 2D de las temperaturas Determinar la longitud del arreglo (L) Enviar datos a cada gráfica del panel Cual opción de la barra? No Leer las temperaturas físicas T1-T12 Insertar nuevos valores T1-T12 al arreglo (L+n) Selección de gráficas Acomodar gráficas en Mosaico Configuración propiedades de gráficas Configuración ejes de gráficas Salir de aplicación Si Salir aplicación Figura 3.8: Diagrama de flujo de gráficas de temperatura. ii) Aplicación Control de lazos La estación de monitoreo integra una aplicación que permite variar los parámetros de sintonización de control PID al lazo de control de temperatura TIC1, la lazo de control de flujo de alimentación del condensador FIC1 y el lazo de control de presión PIC1. En esta aplicación se inicializan los controles e indicadores a un valor igual a cero, posteriormente se tiene un tiempo de espera hasta realizar la selección del lazo a controlar (de inicio muestra los valores de TIC1). Mediante la selección del lazo se modifican los parámetros P (proporcional), I (integral) y D (derivativo). Se grafican los valores del punto de ajuste (set point) (SP), de la variable de proceso (PV) y de la salida (Y).

70 48 CAPÍTULO 3. DISEÑO Y DESARROLLO DE LA ESTACIÓN DE MONITOREO Si se requiere modificar o visualizar otro lazo, esta acción se realiza mediante el control de selección de lazo. Inicio Time out Inicializar Controles e indicadores 2 1 Cuál Lazo? Cuál selección? No Si Selección de lazo 1 TIC1 FIC1 PIC1 SP SP ºC Yout PID Actualizar y enviar dato al dispositivo e indicador SP, SPºC, Yout Correspondientes a cada lazo Variar los parámetros P, I, D Leer y modificar las variables de cada lazo Mostrar datos en gráfica Salir de la aplicación? Salir Si No 2 Figura 3.9: Diagrama de flujo de control de lazos. iii) Aplicación Selección de parámetros Esta aplicación permite seleccionar los diferentes dispositivos de entrada y de salida analógicos para presentar en forma gráfica su comportamiento con respecto al tiempo. Se inicializan los controles de selección de parámetros y se generan los arreglos para datos de dispositivos tipo entrada y de salida respectivamente a graficar. Posteriormente, seleccionar de los controles del menú de la aplicación los parámetros. Cada valor se almacena en los arreglos llamados de Entrada y Salida. Al término de selección de parámetros a graficar, se puede salir de esta aplicación mediante la opción aceptar para guardar los cambios o cancelar si no requiere guardar los cambios realizados. La Figura 3.10 muestra estas operaciones.

71 3.1. DIAGRAMAS DE BLOQUES 49 Inicio Inicializar controles Seleccionar datos de entrada Seleccionar datos de salida Entrada [dispositivos] Salida [dispositivos ] Salir de la aplicación? No Salir Si Figura 3.10: Diagrama de flujo de selección de parámetros. iv) Aplicación Gráfica de parámetros En esta aplicación (ver la Figura 3.11)se muestra gráficamente la variación de las dispositivos analógicos seleccionados desde la aplicación Selección de parámetros. El proceso consiste en leer los arreglos (Entrada y Salida) donde tienen la información de los dispositivos a mostrar en la gráfica. Posteriormente se grafican los valores agregando el nuevo valor adquirido mediante el subprograma leer/escribir datos. v) Aplicación Control on/off EV1 En esta aplicación se determina el tiempo de apertura (τ a ) de la electroválvula de reflujo EV1 y el tiempo de cierre (τ c ) de la misma, dada en segundos. Si se requiere controlar el estado de apertura/cierre de la electroválvula de reflujo EV1 durante un tiempo determinado (τ min ), se especifica el tiempo (en minutos) mediante un control, para ejecutar las acciones de apertura/cierre de EV1; transcurrido el tiempo(τ min =0) el estado de EV1 es cerrado. En otro caso, si el control de tiempo de ejecución se mantiene a un valor igual a cero, (τ min = 0 minutos) el estado de apertura/cierre de EV1 se ejecuta en un tiempo indeterminado hasta detener la aplicación, (ver la Figura 3.12).

72 50 CAPÍTULO 3. DISEÑO Y DESARROLLO DE LA ESTACIÓN DE MONITOREO Inicio Inicializar controles Leer Entrada [dispositivos] Salida [dispositivos ] Gráficar datos de dispositivos de entrada Y salida Salir de la aplicación? No Si Salir Inicio Tiempo de apertura EV1 ( ) Tiempo de cierre EV1 ( ) Dar tiempo Si No de ejecución Iniciar Iniciar On EV1 On EV1 Iniciar Iniciar Off EV1 Off EV1 No Si = 0 min Figura 3.11: Diagrama de flujo de gráfica de parámetros. Salir de aplicación Salir Si No Figura 3.12: Diagrama de flujo de control on/off EV1.

73 3.1. DIAGRAMAS DE BLOQUES 51 Inicio Crear Archivo.dat Leer datos de la variable Cluster Generar reporte en excel Salir Figura 3.13: Diagrama de flujo reporte en Excel. vi) Aplicación Generar reporte Para generar el reporte en formato Excel, se usa la herramienta Report Generation Toolkit. El diagrama de flujo de la Figura 3.13 muestra el proceso para la generación del reporte. Primero se crea el archivo Experimento-dd-mm-aa.dat, ver Figura 3.6. Este archivo se almacena en la misma dirección de instalación del Sistema de la Planta Piloto de destilación SPPD, ver Anexo C. Al término de la creación de archivo, se lee la variable Cluster, donde contiene la información de todos los datos a partir de la adquisición de datos hasta el momento de selección de generación del reporte mediante la barra de botones o menú. Durante la adquisición de datos, la variable Cluster continúa su actualización de datos para un posible (n) número de reportes. Cada reporte generado muestra los datos de inicio de adquisición hasta la selección del reporte. vii) Aplicación Recuperar datos Esta aplicación recupera datos que se hayan perdido cuando se tenga un fallo de la energía eléctrica y provoque un paro de la columna y la computadora. En la Figura 3.14 el proceso a seguir indica abrir el archivo a generar el reporte en Excel, su lectura y posteriormente crear el reporte en Excel, mediante las herramientas de Report Generation Toolkit.

74 52 CAPÍTULO 3. DISEÑO Y DESARROLLO DE LA ESTACIÓN DE MONITOREO Inicio Abrir Archivo.dat Leer Archivo.dat Generar reporte en excel Salir Figura 3.14: Diagrama de flujo para recuperar y generar reporte Conclusiones El problema del monitoreo y control de procesos son temas añejos, pero muy importantes en la teoría de control. La originalidad de este trabajo, además de las etapas de análisis y diseño, consistió en el desarrollo de un sistema capaz de monitorear y manipular la instrumentación de la PPD. Los diagramas de flujo presentados en este capítulo permiten tener un código de programación tipo modular, que esto, en el lenguaje de alto nivel como lo es LabVIEW R es construir SubVIs, donde cada uno de ellos es una división lógica de labores. Con esto se optimiza la funcionalidad y el control de la programación de un problema en general.

75 Capítulo 4 Aplicación del SPPD a una columna de destilación En este capítulo se describe el sistema de monitoreo. Se presentan las pruebas realizadas con este sistema a la planta piloto, así como la implementación de un observador de estados al SPPD para estimar las concentraciones molares en línea en cada etapa de la columna de destilación. En la Sección 4.1 se presenta el producto final de la estación de monitoreo llamado Sistema de la Planta Piloto de Destilación SPPD y se describen las operaciones principales que se usan en el sistema de monitoreo. Se muestra el aspecto gráfico de cada aplicación y su operación como resultado de las pruebas del sistema de monitoreo. En la Sección 4.2 se describen algunas características del observador de estado, se presenta el diagrama de flujo desarrollado para implementar el observador de estados a la estación de monitoreo para estimar en línea las concentraciones molares de cada etapa de la columna de destilación. La Sección 4.3 describe el ambiente gráfico de la aplicación Estimación de concentraciones dentro del sistema de monitoreo. En la Sección 4.4 se presenta el procedimiento de validación experimental del observador de estados implementado en línea en el SPPD. 53

76 54 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN 4.1. Sistema de la planta piloto de destilación SPPD En esta sección se describen las operaciones principales que se pueden ejecutar en la estación de monitoreo llamado Sistema de la Planta Piloto de destilación SPPD, (Figura 4.1). Al ejecutarse el programa SPPD aparece una ventana de inicio, la cual indica datos como son: lugar en donde se desarrollo el sistema, nombre del programa y la fecha de elaboración. Figura 4.1: Ventana de inicio del SPPD. Después de este procedimiento aparece el panel principal de la estación de monitoreo desarrollada en esta tesis (SPPD). Esta pantalla se muestra en la Figura 4.2. La pantalla principal contiene un diagrama sinóptico del proceso de destilación y la constituyen los siguientes elementos: 1. Diagrama esquemático de conexiones de la planta piloto, indicadores y controles que integran la PPD. 2. Barra de menú. Esta barra permite la ejecución de las siguientes operaciones:

77 4.1. SISTEMA DE LA PLANTA PILOTO DE DESTILACIÓN SPPD 55 Figura 4.2: Panel principal de la estación de monitoreo. Encender-apagar la adquisición de datos de la planta. Almacenar datos en línea y la visualizar todas las variables en tiempo real. Encender-apagar la bomba de alimentación. (G1). Encender-apagar la bomba de vacío (G2). Encender-apagar la resistencia eléctrica del hervidor (J2). Encender-apagar la resistencia eléctrica de precalentamiento (J1). Encender-apagar la electroválvula de regulación de la razón de reflujo (EV1). Modificar los parámetros de sintonía de los lazos de regulación (TIC1, FIC1, PIC1). Modificar los tiempos de apertura-cierre de la electroválvula (EV1). Visualizar en forma gráfica las temperaturas en tiempo real (12 Sensores RTD s tipo PT100). Calcular las concentraciones molares 1. 1 En la sección 4.2 se explica la implementación de un observador de estados para estimar las concentraciones molares de las etapas de la columna.

78 56 CAPI TULO 4. APLICACIO N DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIO N Reporte en formato Excel de todas las variables. Reporte en formato Excel de las concentraciones estimadas. Recuperacio n de datos. 3. Barra de botones. Permite al usuario un acceso ra pido de las acciones que se ejecutan en la barra de menu. La Figura 4.3 muestra un bosquejo de la implementacio n de la estacio n de monitoreo a la columna de destilacio n del CENIDET. Figura 4.3: Representacio n fı sica del ambiente de monitoreo. A continuacio n se ilustran los aspectos gra ficos y la descripcio n de las aplicaciones que integran la estacio n de monitoreo SPPD: Configuracio n del puerto serie La aplicacio n de la configuracio n de transmisio n serie se muestra en la Figura 4.4. Las variables que se configuran son: el puerto serie, el nu mero de baudios a transmitir, los datos de paridad, el bit de paro y el tipo de comunicacio n (por Default RTU Remote Terminal Unit). Las pruebas efectuadas de esta aplicacio n consistieron en realizar diversos cambios en los para metros del puerto serie y verificar que e stos sean almacenados en la direccio n

79 4.1. SISTEMA DE LA PLANTA PILOTO DE DESTILACIÓN SPPD 57 Figura 4.4: Configuración serial. de instalación de SPPD. Adicionalmente, se verifica que los cambios efectuados sean los mismos de la configuración de los reguladores 2, para tener una correcta comunicación Control de la válvula de reflujo EV1 En el sistema de monitoreo, es importante tener el control de apertura y cierre de la válvula de reflujo (EV1). Ésta permite que parte del vapor condensado sea colectado como producto destilado y el resto sea el reflujo para favorecer la destilación. Por lo tanto la estación de monitoreo integra el control de los tiempos de apertura-cierre de (EV1), ver la Figura 4.5. A ésta aplicación se le incorpora indicadores de los tiempos de apertura y cierre, con lo que determina cual acción se ejecuta físicamente en la columna. Si se requiere fijar la apertura y cierre de la electroválvula de reflujo seguir los siguientes pasos: - Fijar el tiempo de apertura de EV1 mediante el temporizador de Tiempo de marcha. - Fijar el tiempo de cierre de EV1 mediante el temporizador de Tiempo de parada. - Si se requiere ejecutar las acciones anteriores en un determinado tiempo, introducir el valor en minutos en el control Ejecución en minutos. Activar el botón OFF/ON para ejecutar las acciones. Al término del tiempo de ejecución, automáticamente se detiene las acciones de apertura y cierre de EV1. 2 La configuración de baudios, bit de paro y bit de paridad deben ser los mismos en los dos reguladores de control Digitric 500.

80 58 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN - Si no se requiere ejecutar las acciones en un determinado tiempo dejar en 0 el control Ejecución en minutos. Activar el botón OFF/ON para iniciar los tiempos de conmutación apertura/cierre. Para detener la apertura/cierre en cualquier instante de tiempo, pasar del estado ON al OFF el control de EV1. Figura 4.5: Aplicación de control de EV1. Durante las pruebas realizadas en la columna de destilación se utilizó ésta aplicación para realizar el control de la apertura y cierre de la electroválvula física (EV1). Ésta aplicación le permite al operador controlar la EV1 desde su computadora con una respuesta instantánea en la apertura y cierre de la EV1 física enviada desde la aplicación. En conclusión, se controla EV1 desde la PC, sin necesidad de manipular el tablero de control, por lo que resulta una aplicación operable para la columna Selección de Parámetros Los indicadores y controles mostrados en el diagrama sinóptico de la columna, se visualizan en una ventana de tendencia de tiempo real; para esto es necesario personalizar los parámetros, utilizando la aplicación mostrada en la Figura 4.6. La prueba realizada a esta aplicación consiste en seleccionar las diferentes entradas y salidas analógicas que se muestran en la Figura 4.6. Y se comprueba que los parámetros seleccionados correspondan a los de la gráfica de parámetros.

81 4.1. SISTEMA DE LA PLANTA PILOTO DE DESTILACIÓN SPPD 59 Figura 4.6: Selección de parámetros a gráficar. Figura 4.7: Gráfica de selección de parámetros Gráfica de parámetros en tiempo real Esta aplicación está constituida por una ventana con un gráfico, que muestra la evolución en tiempo real de las magnitudes seleccionadas desde la ventana de Selección de parámetros (ver Figura 4.7).

82 60 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN Esta aplicación comprueba su utilidad, ya que muestra en tiempo real los datos de los dispositivos físicos de la columna de destilación y que previamente fueron seleccionados en la aplicación de parámetros de selección Control de lazos En la Figura 4.8 se muestra la aplicación que controla los tres lazos (TIC1, FIC1 y PIC1). Esta aplicación permite modificar el valor del punto de ajuste (set-point), los parámetros del control PID, visualizar gráficamente los valores de salida y del punto de ajuste de cada lazo. Para activar y modificar cualquier lazo, se debe oprimir el botón del apartado llamado Selección del lazo mostrado en la Figura 4.8. Figura 4.8: Control de los lazos TIC, FIC, PIC. El panel principal del sistema de monitoreo permite ejercer control sobre los actuadores de tipo on-off (J1, J2, G1, G2). También la aplicación mostrada en la Figura 4.8 controla en lazo abierto la potencia calefactora de J1 y las válvulas FV1 y PV1. En la Figura 4.9, se muestra el ejemplo del encendido y apagado de la termoresistencia de alimentación (J1); en lazo abierto se modifica la potencia calefactora para variar la temperatura de la mezcla de alimentación; en el ejemplo se introduce 40 % de la potencia (0-1500W) de J1.

83 4.1. SISTEMA DE LA PLANTA PILOTO DE DESTILACIÓN SPPD 61 Figura 4.9: Control en lazo abierto de la potencia calefactora. En las pruebas realizadas con esta aplicación se manipula la potencia calefactora de precalentamiento J1 y el paso de flujo de agua al condensador (FIC1) en los dos diferentes modos: manual y automático. En el modo manual, los lazos operan en lazo abierto, mientras en el modo automático se introduce el valor del punto de ajuste y mediante la variación de los parámetros de sintonización del control PID (integrados en los reguladores), se verifica la respuesta mediante una gráfica Gráficas de temperatura en tiempo real La Figura 4.10 muestra las gráficas de las temperaturas (12 sensores RTD s tipo PT100), donde se observa la variación de las temperaturas del proceso. El ejemplo de la Figura 4.11 muestra la aplicación de selección y despliegue de seis gráficas de temperaturas, al término de la selección de las gráficas y aceptar los cambios, automáticamente se actualiza el despliegue de gráficas, la posición y el tamaño. La ventana de gráficas de temperatura está constituida por una barra de cinco botones que permiten la ejecución de las siguientes operaciones: Salir de la ventana de temperaturas. Mosaico: Permite al usuario ordenar las gráficas en forma de mosaico dependiendo del numero de gráficas a visualizar. Selección: Abre una ventana que permite definir las gráficas a visualizar. Configurar gráficas: Permite personalizar la apariencia de las gráficas.

84 62 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN Escalas: Permite modificar las escalas de los ejes X, Y de las gráficas. Se cuenta con tres indicadores de tiempo: Fecha: Presenta la fecha en que se inició la ejecución de la prueba. Inicio: Muestra la hora en que se ejecutó el programa de monitoreo. Tiempo: Muestra el tiempo transcurrido de la prueba. Figura 4.10: Panel de gráficas de temperatura. Dentro de la ventana principal de temperatura se tiene una opción para modificar las características de la apariencia de las gráficas como lo son: el estilo de los puntos de datos, estilo del indicador, estilo y ancho de la línea de datos y el color del indicador, datos, fondo y mallas. Esta aplicación se muestra en la Figura 4.12

85 4.1. SISTEMA DE LA PLANTA PILOTO DE DESTILACIÓN SPPD 63 Figura 4.11: Selección de gráficas de temperatura. Figura 4.12: Personalizar la apariencia de las gráficas.

86 64 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN Así mismo, se tiene una opción para modificar las escalas de las gráficas con la finalidad de un análisis en línea de una sección de la gráfica, ver la Figura 4.13 Figura 4.13: Escalas de las gráficas. Como se aprecia en las gráficas de temperaturas (ver Figuras 4.10 y 4.11), se tiene una aplicación que presenta en forma visual el comportamiento de los sensores de temperaturas. Esta aportación permite al usuario visualizar gráficamente cada temperatura y en función de los resultados obtenidos, tomar una decisión (ejemplo: aumentar la temperatura del hervidor, alimentación, modificar el flujo de entrada, etc.) para obtener el producto final de la calidad deseada Registro de los datos Al iniciar la adquisición de datos, los valores de las variables de temperatura, flujos, presión y estados on-off de los actuadores, se almacenan en un registro, para después presentar un reporte en formato Excel, ver la Figura Este reporte se genera con la fecha de uso de la estación de monitoreo, donde se muestra en la primer columna, el tiempo de adquisición de datos con un periodo de muestreo de 3 segundos y en las columnas subsecuentes la información de los dispositivos. Con ésta aplicación se genera el reporte de las variables de la columna en formato Excel, esto permite contar con un reporte accesible para un posterior análisis fuera de línea.

87 4.2. IMPLEMENTACIÓN DEL OBSERVADOR DE ESTADO AL SPPD 65 Figura 4.14: Reporte formato Excel Implementación del observador de estado al SPPD Descripción del observador En el trabajo desarrollado en [Torres-Ortiz, 2005] integró en un simulador bajo el lenguaje de programación de Matlab R, un modelo matemático para representar el comportamiento dinámico del sistema de la planta piloto de destilación. Las variables de entrada al modelo son: la potencia calefactora del hervidor (Q b ), el flujo de alimentación (F V ) y la apertura de la válvula de reflujo (R). La mezcla binaria elegida para los experimentos fue metanol-etanol, cuyas propiedades termodinámicas la clasifican como una mezcla ideal. Estas propiedades son listadas en el Apéndice B. Es preciso remarcar que la pureza de los componentes (metanol-etanol) empleados en las pruebas no es total, sin embargo se consideró como tales para mantener la suposición de una mezcla binaria y no involucrar otro componente (agua) en la relación de equilibrio.

88 66 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN Figura 4.15: Esquema de observación experimental fuera de línea. A partir de este modelo se diseñó un observador de ganancia constante, además de las variables de entrada mencionadas anteriormente, al observador de estado se introducen las siguientes variables: la temperatura del condensador y la temperatura del hervidor. Los experimentos en este trabajo, se realizaron al aplicar diversas señales en las entradas de la planta, de tal manera que el observador estime las fracciones molares en todas las etapas de la columna. La estimación de los estados se realizó fuera de línea, es decir, las mediciones fueron registradas previamente para después ser introducidas en el algoritmo de observación. El periodo de muestreo de las mediciones de temperatura en estas pruebas fue de 1 minuto y las muestras fueron tomadas a partir del momento en el que todas las etapas de destilación se alcanzó el equilibrio, es decir, cuando todos los platos se tenga la mezcla en ebullición. El instante de tiempo en que todos los platos contienen la mezcla en equilibrio varía dependiendo de la potencia calefactora suministrada, en este trabajo el experimento se validó, como el instante de toma de datos en que cae la primera gota de reflujo. El tiempo que tarda el proceso para esta acción se desprecia, por lo tanto se considera el instante en que se obtiene la primera gota de reflujo como el tiempo inicial (t = 0) de la prueba. La Figura 4.15 muestra el diagrama esquemático de las señales ( fuera de línea ) empleadas por el observador para la estimación de los estados. Las señales de entrada del sistema (EV1, G1 y J2) son una simulación de las señales reales aplicadas en el proceso, mientras que las salidas del sistema (temperatura del condensador y del hervidor) son las mediciones reales tomadas durante los experimentos. Estas cinco variables, se introducen al observador para obtener las concentraciones molares líquidas en cada etapa de la columna.

89 4.2. IMPLEMENTACIÓN DEL OBSERVADOR DE ESTADO AL SPPD Diagrama de flujo de implementación Para determinar las concentraciones molares en línea se requiere implementar en el Sistema de la Planta Piloto de Destilación SPPD el observador de estado. En el diagrama de la Figura 4.16, se muestra la forma general en que se implementa el modelo en simulink del observador de estados en la estación de monitoreo. Inicio Leer Temperaturas (T2-T9) 1 Condiciones iniciales x(t) Leer variables J2, G1, EV1, T2, T9, x(t) Modelo de Simulink Salidas dx/dt; dm/dt Aplicación guardar datos Aplicación Gráficas T & T^ dx/dt; dm/dt 1 No Salir de aplicación Fin Si Figura 4.16: Diagrama de implementación del observador. Para ejecutar la aplicación de estimación de las concentraciones en la columna de destilación, ésta debe permanecer en condiciones de operación estable, esto es, cuando la temperatura de los platos se mantienen constantes o cuando cae la primera gota del condensador. Para determinar si las temperaturas de los platos, condensador y hervidor se mantienen constantes, puede apoyarse en la aplicación de Gráficas de temperatura, observando el comportamiento de la temperatura en cada gráfica. En la estación de monitoreo se agrego un icono en la barra de botones del panel principal del SPPD. Al verificar la estabilidad de la columna se utiliza éste botón o mediante la barra de menú se ejecuta la aplicación del cálculo de las concentraciones. En la Figura 4.16 se muestra los bloques que permiten implementar el observador, a continuación se explica cada proceso:

90 68 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN Leer temperaturas (T2, T9) La información de la temperatura del condensador y del hervidor en el instante en que se ejecuta esta aplicación, proviene de la lectura/escritura de las variables mediante MODBUS, usando variables globales (ver Apéndice E). Condiciones iniciales Se determina las condiciones iniciales del modelo a partir de las temperaturas sensadas (T2-T9). Se realiza una subrutina que integra la relación de equilibrio dada en la ecuación 4.1: x i = T 5 i T 4 i T 3 i T 2 i 1.226T i (4.1) donde: x i Fracción molar líquida en el plato i, (0-1 %). T i Temperatura del plato i, ( o C). Ejecución simultánea La aplicación del cálculo de las concentraciones se ejecuta continuamente hasta que el usuario seleccione la opción de salir, en otro caso, tiene la capacidad de realizar las siguientes acciones: 1. Cálculo de las concentraciones. Las variables físicas de entrada al observador son las siguientes: el flujo volumétrico (F V ), la razón de reflujo (EV 1), potencia calefactora del hervidor (W a ), las temperaturas del hervidor y del condensador (T2 y T9 respectivamente). La razón de reflujo se introduce con el valor de 0 en el caso de cerrado la electroválvula EV1 y para el caso de apertura el valor es 1. La cantidad de flujo volumétrico está suministrada por la bomba dosificadora (G1). Ya que el suministro de flujo es intermitente se utiliza la gráfica de la Figura 2.14 para obtener la relación entre los valores de porcentaje de frecuencia de bombeo y el flujo

91 4.2. IMPLEMENTACIÓN DEL OBSERVADOR DE ESTADO AL SPPD 69 Figura 4.17: Figura de implementación del observador. volumétrico; la relación esta dada por la ecuación 4.2, donde G1 es el valor de la frecuencia de bombeo de alimentación: F V = (G1) (4.2) La potencia calefactora del hervidor ( watts) es proporcional al porcentaje introducido a la variable J2 de la estación, dada en la ecuación 4.3: W a = (J2 2500)/100 (4.3) Modelo de Simulink. Las variables anteriormente descritas son introducidas al modelo del observador, que se encuentra dentro de una estructura llamada en LabVIEW R como Formula Node, ésta evalúa fórmulas matemáticas y expresiones similares en C de diagramas de bloques. En la Figura 4.17 se tiene el ejemplo de esta estructura y sus partes principales. El proceso consiste en traducir el observador desarrollado en Simulink de Matlab R al lenguaje del Formula Node. Integrar. Al realizar las operaciones matemáticas del observador dentro del Formula Node, se tiene dos salidas: dx/dt, dm/dt (concentraciones y masas retenidas de cada etapa de la columna). Las concentraciones son integradas con un SubVI que integra una señal continua mediante el método de Euler y son retroalimentadas a la entrada del Formula Node para continuar con el cálculo de las concentraciones.

92 70 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN Inicio Leer el arreglo 2D de las temperaturas Determinar la longitud del arreglo (L) Enviar datos a cada gráfica del panel Cual opción de la barra? No Leer temperaturas T2-T9 reales T2-T9 estimadas Insertar nuevos valores T2-T9 reales T2-T9 estimadas al arreglo (L+n) Selección de gráficas Acomodar gráficas en Mosaico Configuración propiedades de gráficas Configuración ejes de gráficas Salir de aplicación Si Salir aplicación Figura 4.18: Aplicación de comparación temperaturas. 2. Aplicación guardar datos. Este subprograma almacena los datos de las temperaturas reales, temperaturas estimadas y las concentraciones estimadas por el observador. Se crea un arreglo de dos dimensiones para almacenar la información de cada dato correspondiente a las temperaturas y concentraciones. Posteriormente este arreglo se almacena en una variable tipo Cluster (ver Apéndice E). Posteriormente esta variable se lee para su reporte en excel, mediante Reporte Generation Toolkit. 3. Aplicación de comparación de gráficas Treal y Testimada. Esta aplicación es similar a la ventana de Gráficas de temperaturas, sin embargo, se muestran ocho gráficas que corresponden al sensor de temperatura del hervidor (T2), plato 11 (T3), plato 9 (T4), plato 7 (T5), plato 6 (T6), plato 4 (T7), plato 2 (T8) y del sensor de temperatura del condensador (T9). En la Figura 4.18 se muestra el diagrama de flujo de esta aplicación. El motivo de presentar las ocho gráficas, se debe a que el observador estima las concentraciones molares líquidas y a partir de éstas se obtiene las temperaturas

93 4.3. ESTIMACIÓN DE CONCENTRACIONES EN TIEMPO REAL 71 en cada plato (diez platos) a lo largo de la columna mediante la ecuación 4.4. El número de gráficas comparadas se realiza con respecto al número de sensores físicos a lo largo de la columna. T i = x i x i x i x i x i (4.4) 4.3. Estimación de concentraciones en tiempo real En esta sección se presenta el aspecto gráfico de la aplicación de estimación de las concentraciones integrada en la estación de monitoreo, esto permite determinar las concentraciones en línea de cada etapa de la columna de destilación. Se describen las características que se permiten en la aplicación y la función de cada una de ellas. La ventana de esta aplicación ésta constituida por: Barra de botones. Gráfica de concentraciones: Permite al usuario, observar la variación de las concentraciones en cada etapa de la columna. Indicadores: Muestran el valor actual de las concentraciones. Los indicadores se ubican en la parte derecha de la ventana de la aplicación e indican cada etapa de la columna. Esta aplicación se debe ejecutar a partir de la observación de la columna en estado estable, esto es, a partir de que las temperaturas (T2-T9) se mantengan constantes ó cuando cae la primera gota del condensador. La Figura 4.19 muestra el aspecto de la aplicación y las partes que lo integran. A continuación se muestra el aspecto gráfico de las aplicaciones que se ejecutan desde la barra de botones, así mismo, se explican sus características:

94 72 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN Figura 4.19: Estimación de concentraciones. Aplicación guardar datos Se almacenan los datos de las temperatura reales (T 2 T 9), las temperaturas calculadas ( T ˆ 1 T ˆ 12) y la concentración molar x i de cada etapa de la columna estimadas por el observador de estados. Se genera un reporte en formato excel de las temperaturas reales, estimadas y su concentración. En la Figura 4.20 se muestra el reporte generado al calcular las concentraciones. Aplicación Gráficas En esta ventana se visualiza gráficamente la comparación de las temperaturas reales T 2 T 9 y las temperaturas calculadas T ˆ 2 T ˆ 9. La ventana de esta aplicación se muestra en la Figura 4.21.

95 4.3. ESTIMACIÓN DE CONCENTRACIONES EN TIEMPO REAL 73 Figura 4.20: Reporte formato Excel de concentraciones. Figura 4.21: Panel de gráficas T real y T estimada.

96 74 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN 4.4. Validación del observador de estados en línea En esta sección se presenta el procedimiento de validación experimental del observador de estados implementado en línea en el sistema de la planta piloto de destilación (SPPD). El proceso para la aplicación del observador de estados consiste en la destilación de una mezcla metanol-etanol, a presión atmosférica y con posibilidades de manipular flujos de alimentación, así como la temperatura de esta corriente. La validación del observador de estados para la estimación en tiempo real, de las concentraciones molares en cada etapa de la columna, se lleva a cabo mediante el experimento de destilación de la mezcla metanol-etanol manipulando la columna de destilación mediante el programa SPPD. La columna de destilación cuenta con cuatro puntos (el condensador (Depósito D3), plato 4 (válvula V10), plato 9 (válvula V12) y el hervidor (C1)), donde es posible tomar muestras de la mezcla binaria siguiendo un procedimiento de muestreo que garantice la representatividad de la muestra, (en el Apéndice G se presenta el procedimiento de muestreo). Las muestras recogidas en condiciones de operación estable de la columna, son transportadas en frascos perfectamente sellados al laboratorio, donde son analizadas usando cromatografía de gases. En la Figura 4.22 se muestra el tiempo y las temperaturas necesarias en el horno del cromatógrafo para separar la mezcla. Al inicio se tiene ua temperatura de 40 o C durante 1.2 min, una rampa que dura 1 min hasta llegar a 100 o C y se mantiene durante 4 min. Figura 4.22: Temperatura del horno del cromatógrafo.

97 4.4. VALIDACIÓN DEL OBSERVADOR DE ESTADOS EN LÍNEA 75 Cromatógrafo: La cromatografía de gases es una técnica analítica muy generalizada en la determinación cuantitativa e identificación de compuestos químicos. La muestra a analizar se inyecta en la cabeza de una columna cromatógrafica. El resultado de este análisis es una salida visual de diferentes picos que corresponden a diferentes componentes de la muestra, siendo en nuestra muestra, un pico para metanol y otro para etanol. En la Figura 4.23 se muestran los componentes principales que integran el sistema cromatográfico. En la Figura 4.24 se aprecia el cromatógrafo en forma integrada 3. Figura 4.23: Diagrama de cromatógrafo de gases. Figura 4.24: Fotografía de cromatógrafo. Para determinar la concentración en forma cuantitativa de cada muestra recolectada en las cuatro etapas de la columna, se requiere primeramente construir una curva de calibración con diferentes proporciones de la mezcla metanol-etanol al 99.8 y 99.7 % (grado de pureza) respectivamente. 3 Las pruebas se realizaron en el Laboratorio de Biotecnología Ambiental de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos.

98 76 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN Figura 4.25: Interpolación de la curva de calibración de metanol. La importancia de construir una curva de calibración radica en tener una relación de la señal de salida del instrumento para diferentes concentraciones del compuesto que se va a cuantificar. La Figura 4.25 representa la curva de calibración que se obtuvo para esta validación, la cual puede ser representada por la ecuación 4.5 cuyo coeficiente de regresión lineal es de r 2 = C MeOH = e 3 P MeOH e 1 (4.5) donde: C MeOH Concentración de metanol %. P MeOH Señal numérica de salida del cromatógrafo. Una vez que se tiene la curva de calibración, las condiciones de temperatura y los flujos de gases en el cromatógrafo, similares a los fijados al construirse la curva de calibración, se inyectarán las muestras y se podrá determinar la concentración real de éstas. Se comparan las concentraciones obtenidas por cromatografía con las concentraciones estimadas por el observador y se calcula el error entre cada una de las diferentes sitios de muestreo. Lo sobresaliente en el uso de esta técnica analítica, es que mediante ella se puede realizar la medición de estos compuestos con un alto grado de confiabilidad, lo que se refleja en las figuras de los cromatogramas obtenidos. En la Figura 4.26, se puede ver el

99 4.4. VALIDACIÓN DEL OBSERVADOR DE ESTADOS EN LÍNEA 77 a Muestra 8, inyección a. b Muestra 13, inyección b. Figura 4.26: Reporte gráfico del cromatógrafo. tipo de salida gráfica del cromatógrafo, donde se muestra la respuesta de separación de la mezcla metanol-etanol. Además de una respuesta gráfica y del alto grado de confiabilidad en la separación de las muestras, se tiene un reporte de texto. En la Figura 4.27 se muestra la respuesta de análisis de muestras. Para el presente trabajo no se realizó, el muestreo y los análisis suficientes que permitieran obtener un análisis estadístico entre los resultados de las mediciones reales y las estimadas por el observador de estado que se implementó. En la Figura 4.28 se muestra el ejemplo de la comparación de las concentraciones molares del hervidor y del condensador, que se obtienen a partir de las temperaturas reales dadas por la ecuación 4.1 y las calculadas por el observador de estado. Así mismo, en la Figura 4.29 se muestra la comparación de las temperaturas reales y las temperaturas calculadas (hervidor y condensador) a partir de la estimación de concentraciones, mediante la ecuación 4.4.

100 78 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN a Muestra 8, inyección a. b Muestra 13, inyección b. Figura 4.27: Reporte del cromatógrafo. Figura 4.28: Estimación de x en condensador y hervidor.

101 4.5. CONCLUSIONES 79 a Temperatura T9 y T 9 del condensador. b Temperatura T2 y T 2 del hervidor. Figura 4.29: Comparación de temperaturas reales y estimadas Conclusiones Las pruebas realizadas de la estación de monitoreo, se llevaron a cabo mediante la puesta en marcha de la columna de destilación. Cada aplicación que integra al sistema de monitoreo fue probada mediante la ejecución de las acciones desde el SPPD desarrollado en este trabajo, verificando que la acción enviada a los diversos dispositivos se ejecute. En la generación de reportes de los datos adquiridos, se obtiene un resultado satisfactorio, ya que los datos enviados al reporte en formato Excel pueden ser analizados fuera de línea. La aplicación de gráficas de temperatura es de gran utilidad para poder analizar en línea el comportamiento de las temperaturas a lo largo de columna, con esto, permite al operador tomar decisiones para mejorar el proceso en la manipulación de las variables de la columna, con la finalidad de aumentar la calidad del producto. La aplicación de control de apertura/cierre de la electroválvula permite contar con

102 80 CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL SPPD A UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN un sistema operable de la columna, al integrar esta opción. La validación del observador se podrá realizar tomando muestras en cuatro etapas de la columna, analizarlas utilizando el método analítico de cromatografía de gases, el valor dado por este análisis compararlo con el valor calculado por el observador de estados. Por las limitaciones que se tuvieron para usar el equipo, sólo se pudo realizar la curva de calibración y un reducido análisis de muestras, siendo esto último insuficiente para dar validez al proceso de estimación de concentraciones en línea, quedando como una actividad a completar.

103 Capítulo 5 Conclusiones generales y trabajos futuros 5.1. Conclusiones Generales En este documento se presenta el desarrollo de una estación de monitoreo de la columna de destilación del CENIDET, así como el procedimiento de validación experimental del observador de estados implementado en línea para el cálculo de las concentraciones molares. Se desarrolló un sistema que permite monitorear las diversas variables físicas que intervienen en el proceso de destilación. Esta aplicación en tiempo real, tiene la gran ventaja de poder analizar el comportamiento del proceso para la toma de decisiones durante la ejecución del mismo, con la finalidad de mejorar la calidad del producto destilado, aumentar el desempeño del proceso y finalmente incrementar el nivel de seguridad de la columna de destilación. La efectividad en el uso de la estación de monitoreo se realizó mediante la puesta en marcha de la columna, comprobando la manipulación de los dispositivos y el monitoreo de los mismos. La importancia de la estación de monitoreo radica en el uso del protocolo de comunicaciones MODBUS, para disponer de un sistema de adquisición de datos a bajo costo de implementación y permitir de una manera efectiva, el monitoreo de las variables implicadas en el proceso de destilación y de la manipulación de actuadores en la planta piloto. 81

104 82 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES GENERALES Y TRABAJOS FUTUROS El modelo implementado en la estación de monitoreo SPPD, se validó mediante el análisis de cromatografía de gases. Esta validación es insuficiente debido a la escasez de análisis de muestras, por lo que se sugiere completar este análisis cuando se tenga la disponibilidad del cromatógrafo. La estación de monitoreo desarrollado para la planta piloto de destilación de CENIDET, permite: Aumentar la eficiencia y confiabilidad de la unidad de destilación. Mejorar el procedimiento de operación. El estudio de la columna de destilación desde lazo abierto hasta la implementación de algoritmos de control complejos, con lo cual se puede optimizar el proceso a su máxima capacidad. Promover la investigación en este campo en el país para lograr tener una tecnología de punta en el desarrollo de sistemas de monitoreo fiables Beneficios prácticos de la estación de monitoreo La mayoría de los sistemas de monitoreo y control utilizan tarjetas de adquisición de datos, lo que implica un costo elevado de instrumentación, cableado y mantenimiento de este tipo de equipos, por lo que el protocolo de comunicaciones MODBUS sustituye las conexiones punto a punto entre los elementos de campo. El cableado necesario para el control de una instalación sobre una red MODBUS sólo requiere un cable para la conexión de los diversos nodos. Se estima que puede ofrecer una reducción de 5 a 1 en los costos de cableado [Kaschel, 2000]. Permite al usuario monitorear todos los dispositivos que integran el sistema. De esta forma, la detección de las fuentes de problemas en la planta y su corrección resulta mucho más sencilla, ya que se genera un código de error del instrumento que opere incorrectamente, con esto se reduce los costos de mantenimiento y el tiempo de parada de la planta. Además de minimizar costos de instrumentación, se puede aumentar el desempeño del proceso y la calidad del producto, mediante la implementación en línea de algoritmos

105 5.1. CONCLUSIONES GENERALES 83 de control complejos, como el tratado en este trabajo (observador de estados para calcular las concentraciones molares en cada etapa de la columna) Perspectivas de trabajos futuros El Sistema de la Planta Piloto de destilación SPPD, tiene la capacidad para implementar algoritmos complejos, un ejemplo de utilidad es la implementación de un control predictivo multivariable basado en modelo, realizado para controlar las composiciones molares líquidas del fondo y del condensador de la PPD. Este sistema de monitoreo puede ser utilizado para contar con un servidor de Internet mediante la programación adecuada y el uso de DataSocket de National Instruments. Esto permite a cualquier usuario autorizado, acceder a una página Web de la PPD para visualizar en línea el estudio del proceso de destilación con fines didácticos o para realizar tareas de publicación de información y/o en la supervisión o tele-operación de este proceso. De las capacidades de los reguladores de control Digitric 500, si se requiere implementar instrumentación para monitorear o manipular algunas partes donde no se tenga dispositivos físicos, el uso de un controlador adicional Digitric 500 podrá ahorrar costos de instrumentación. Esta solución se propone, debido a la capacidad de estos dispositivos de conexión tipo serie entre los regulador de control. Se debe configurar la dirección del nuevo regulador y sus registros de los nuevos instrumentos a implementar a la columna, esto se realiza con el panel de control del regulador.

106 84 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES GENERALES Y TRABAJOS FUTUROS

107 Bibliografía [Brown y Lacey, 2002] D. Brown, R. E. Lacey (2002) A distributed control system for low pressure plan growth chambers. ASAE Annual Meeting 2002, no paper [Deza et. al., 1998] F. Deza, E. Busvelle, J.P. Gauthier (1998). Exponentielly converging observers and internal stability using dynamics output feedback for distillation columns. Chem. Eng. Science vol. 47, pág [Digitric a, 2000] ABB Manual (2000). An industrial controller with format, Digitric 500. Clasificación 50/61-05 EN,ABB Group. Alemania. [Digitric b, 2000] ABB Manual (2000). Controllers for industry, Installation. Clasificación 42/ Rev. 03 EN,ABB Group. Alemania. [Digitric 500, 2001] Digitric 500, Manual (2001). Protonic 100/500/550 Digitric 500, Modbus Interface description. Clasificacion 42/ EN, ABB Group. Alemania. [E.Veneta, 1998] Manual Profesor/Alumno (1998). Planta piloto automatizada y computerizada de destilación continua. MOD DCA/EV. ElettronicaVeneta. Italia. [Jeffrey, 2001] T. Jeffrey (2001). LabVIEW for everyone graphical programming made even easier. Person Education, 2da. ED., U.S.A. [Kaschel, 2000] H. Kaschel, E. Pinto (2000). Analisis del estado del arte de los buses de campo aplicados al control de procesos industriales. Reporte interno. Facultad de Ingeniería, Depto. de Ingeniría Eléctrica. Univerdad de Santiago de Chile, Chile. [LabVIEW I, 1999] LabVIEW Básico I (1999). LabVIEW básico I. Introducción manual del curso. National Instruments. 85

108 86 BIBLIOGRAFÍA [LabVIEW II, 1999] LabVIEW Básico II (1999). LabVIEW básico II. Introduction course manual. National Instruments. [Luyben, 1990] W. Luyben (1990). Process modeling, simulation and control for chemical engeneers. McGraw Hill. [Luyben, 1992] W. Luyben (1992). Practical distillation control. Van Nostrand-Reynolds. [McDonoough, 2001] A. McDonoough, (2001). LabVIEW data acquisition & analysis form movement sciences. Person Education, 2da. Ed., U.S.A. [MODBUS, 2000] S. Pefhany (2000). MODBUS Protocol. PDF Format Version. [MODICON, 1996] MODICON (1996). Modicon Modbus Protocol Reference Guide. PI- MBUS-300 Rev. J. MODICON, Inc., Industrial Automation Systems. North Andover, Massachusetts. [MODBUS IDA, 2004] Modbus-IDA (2004). Modbus Application Protocol Specification V1.1a. [Nooraii y Romagnoli, 1998] A. Nooraii, J.A. Romagnoli. (1998) Implementation of advanced operational and control techniques for a pilot distillation column within a DCS environment. Computers Chemical Engineering, vol. 22, no. 4/5, pp [Pefhany, 2000] S. Pefhany (2000). MODBUS Protocol. PDF Format Version. [Quintero et. al., 1991] R. Quintero-Marmol, E. Luyben, C. Georgakis (1991). Application of a extended luenberger observer to the control of multicomponent batch distillation. Ind. Enging. Chem. Res. 30, pág [Rademarker et. al., 1975] O. Rademaker, J.E. Rijnsdorp, A. Maarleveld. Dynamics and Control of Continuous Distillation Columns. American Elsevier Publishing Company, Inc., New York, New York. [Ramírez et. al., 2004] F.H. Ramírez Leyva, J.P. Acevedo Cuellar, R.G. Maldonado Basilio, E. Espinosa Justo (2004). Wireles system for electrical networks testing based on MODBUS protocol. CONIELECOMP 04. IEEE Computer Society.

109 BIBLIOGRAFÍA 87 [Ramos et. al., 2001] C. Ramos, J. M. Herrero, M. Martínez, J. Sanchos (2001). Monitorización y control distribuido a través de internet. Aplicación a una planta piloto Reporte interno. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática (DISA). Universidad Politécnica de Valencia, España. [Ramos et. al., 2002] C. Ramos, J. M. Herrero, M. Martínez, Blasco (2002). Control predictivo multivariable de una planta piloto utilizando buses de campo Reporte interno. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática (DISA). Universidad Politécnica de Valencia, España. [Rodríguez, 2005] I. Rodríguez (2005), Implementación de un sistema dedicado al monitoreo de condiciones de proceso en una columna de destilación experimental. Reporte interno. Grupo Exergia, Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). [Rosenbrock, 1960] H. Rosenbrock (1960). A Theorem of Dynamic Conservation for Distillation. Trans. Instn. Chem. Engrs, 38, [Rueda-Ferreiro, 2000] A. Rueda-Ferreiro (2000). Modelado y simulación dinámica de una columna de destilación de etanol de la industria azucarera. Reporte interno. Centro de Tecnología Azucarera. Universidad de Valladolid. Valladolid, España. [Schalk et. al., 2004] P. Schalk, E. Fauster, P. O Leary, M. Weiss (2004). Framework for automatic quality control in industrial environmentes using distributed image processing. Journal of Electronic Imaging, vol. 12, issues 3, pág [Skogestad, 1997] S. Skogestad (1997). Dynamics and control of distillation columns. A critical survey. Modeling, Identification and control, 18, [Sotomayor et. al., 2002] O. A. Sotomayor, S. W. Park, C. Garcia (2002). Software sensor for on line estimation of the microbial activity in activated sludge systems. ISA Transactions, vol. 41, pág [Targui, 2000] B. Targui (2000). Modelisation et observation des colonnes a distiller. PhD Thesis. Universite Claude Bernard-Lyon. Lyon, France. [Torres et. al., 1999] M. A. Torres, M. E. Pardo, J. O Cuza, J. M Pupo. (1999) Control neuronal de una torre de destilación metanol-agua. Reporte interno. Departamento de Control Automático. Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba.

110 88 BIBLIOGRAFÍA [Torres-Ortiz, 2005] F.L. Torres-Ortiz (2005). Observación y control no lineal de columnas de destilación. Tesis de Maestría, CENIDET. [Zamarreño, 2003] J. M. Zamarreño (2003). Comunicación de LabVIEW con ecosimpro para la generación de predicciones en una columna de destilación. Departamento de Ingeniería Automática. Universidad de Valladolid, España.

111 Glosario de términos ASCII: Acrónimo, American Standard Code for Information Interchange, código estándar americano para el intercambio de información. Baudios: Definición 1: Unidad de medida utilizada en comunicaciones. Definición 2: Número de bits por segundo dividido por el número de bits de datos por señal. Definición 3: Unidad informática que se utiliza para cuantifical el número de cambios de estado o eventos de señalización que se producen cada segundo durante la transferencia de datos. Bit: Acrónimo, binary digit, segmento individual de datos ya sea un 0 ó 1. Byte: Cantidad de memoria que se requiere para almacenar un solo carácter (8 bits). Unidad de datos capaz de guardar 256 valores diferentes. Bit parity: Bit adicional de un byte para detectar errores. Bit parity: Bit adicional de un byte para detectar errores. Canal(Bus): Medio físico por donde los datos van de un origen a un destino. Confiabilidad: Probabilidad de que un dispositivo desempeñe su función adecuadamente por un período de tiempo especificado, bajo las condiciones operativas especificadas. DCS: Sistema de control distribuido. Es una red de procesadores digitales de información, con sistema operativo distribuido y procesamiento en tiempo real operando bajo los conceptos de la teoría de control automático. LabVIEW R : Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench. 89

112 90 GLOSARIO DE TÉRMINOS Lazo de control: Combinación de dos o más instrumentos interconectados mediante un arreglo definido para medir y controlar una variable de proceso. Modo de control proporcional, integral y derivativo: Función matemática que describe la manera en que se establecen las acciones correctivas del control, con relación a la desviación o error entre la variable controlada y el valor deseado de la misma. PLC: Controlador Lógico Programable. Es un sistema electrónico de operación digital, para su uso en ambiente industrial, usa memoria programable para almacenamiento interno de instrucciones y funciones específicas, tales como: tiempo, conteo y aritmética. Property nodes: Propiedades de nodo, característica de LabVIEW R para modificar parámetros de controles, indicadores y gráficas. Algunos ejemplos, tamaños, color, posición, fondo, letras, tamaño de letras, etc. Punto de ajuste (set point): Magnitd predeterminada de una variable de proceso, la cual trata de mantener el controlador de proceso. Señal protocolizada: Señal digital en protocolo para instrumentación de campo, el protocolo debe ser abierto y no propietario. RTU: Acrónimo, Remote Terminal Unit, unidad de terminal remota. Tiempo real: Un sistema en tiempo real es aquel que cumple con restricciones de tiempo en la ejecución de sus procesos. Si las restricciones no son respetadas el sistema se dice que ha fallado.

113 Apéndice A Artículos publicados Artículo 1. ARTÍCULO PUBLICADO EN EL CONGRESO DE LA ASOCIACIÓN DE MÉXICO DE CONTROL AUTOMÁTICO AMCA 2006 Desarrollo de una estación de monitoreo y control en línea. Aplicación a una columna de destilación (AMCA 2006). Artículo 2. ARTÍCULO PUBLICADO EN FORMATO WEB DE SOLUCIONES DE USUARIO DE NATIONAL INSTRUMENTS Sistema de monitoreo y control en línea para una planta piloto de destilación (SPPD) (NI 2006 Soluciones de usuario). 91

114 92 APÉNDICE A. ARTÍCULOS PUBLICADOS

115 Apéndice B Tablas de parámetros En este apéndice se muestran los parámetros utilizados a lo largo de la tesis para los experimentos realizados. La Tabla B.1 muestra las características de la planta piloto de destilación, la Tabla B.2 muestra las propiedades termodinámicas de la mezcla Metanol- Etanol y finalmente la Tabla B.3 muestra las condiciones iniciales utilizadas en la prueba experimental. Tabla B.1: Características físicas de la planta piloto de destilación. Característica Valor Unidades Etapas (n) 12 Platos 10 Plato de alimentación (f) 7 Espacio entre platos 11 cm Diámetro de platos 10 cm Diámetro de vertedero 0.5 cm Altura de vertedero 2.5 cm Capacidad del hervidor 6 L Capacidad de recogida de producto de fondo 4 L Area de transferencia del condensador 0.5 m 2 Capacidad de recogida de destilado 1 L Potencia de termoresistencia de calentamiento Watts Potencia de termoresistencia de precalentamiento Watts 93

116 94 APÉNDICE B. TABLAS DE PARÁMETROS Tabla B.2: Propiedades termodinámicas de la mezcla metanol-etanol. Parámetro MeOH EOH Unidades Densidad (ρ c ) g/cm 3 Peso molecular (M W c ) g Temperatura de ebullición (T bc ) o C Entalpía de vaporización ( Hc vap ) kj/mol Calor específico (Cp c ) kj/mol o C Tabla B.3: Parámetros iniciales del experimento. Parámetro Valor Unidades Volumen de MeOH en el hervidor 2000 ml Volumen de EOH en el hervidor 2000 ml Eficiencia de Murphree (E) 0.9 Eficiencia de Murphree (e) 0.9 Temperatura de hervidor 68 C Presión del proceso (P T ) kpa

117 Apéndice C Instalación del programa de monitoreo C.1. Requerimientos mínimos Procesador Pentium III o posterior 256 MB en RAM. Sistema operativo Windows 2000, XP. Espacio libre en disco duro 100 MB. Microsoft Excel R. Puerto serie RS

118 96 APÉNDICE C. INSTALACIÓN DEL PROGRAMA DE MONITOREO C.2. Instalación SPPD La instalación del Sistema de la Planta Piloto de Destilación SPPD V 1.0 es sencillamente fácil. Buscar el archivo de instalación que viene en el CD de este trabajo, llamado SPPD. Al ejecutar el programa aparece la siguiente pantalla: En la siguiente pantalla aparece por default el folder donde será instalado el programa. Para que opere correctamente el sistema de monitoreo se recomienda aceptar la dirección default.

119 C.2. INSTALACIÓN SPPD 97 Al dar clic al botón Next comienza la instalación la cual dura aproximadamente 3 a 5 minutos dependiendo de la memoria o de la velocidad del procesador. Cuando aparezca la siguiente pantalla se ha completado la instalación del Sistema de monitoreo.

120 98 APÉNDICE C. INSTALACIÓN DEL PROGRAMA DE MONITOREO

121 Apéndice D Manual de operación de la columna En este manual se presenta las principales operaciones que se deben seguir para la puesta en marcha de la planta piloto de destilación a presión atmosférica. Se explica los pasos a seguir en la preparación de uso de la columna de destilación, así como de las medidas de seguridad de la planta piloto que se deben tomar durante el proceso experimental. En este manual se incluye el uso del Sistema de la Planta Piloto de Destilación SPPD. D.1. Procedimiento de puesta en marcha de la PPD Cerrar las válvulas V3, V4, V5, V8, V10, V13, V14, V18, V21 Y V27. Abrir las válvulas V1, V2, V5, V7, V9, V11, V15, V16, V17, V19, V20, V22, V22, V23 Y V24. Abrir parcialmente la válvula V25. Llenar el depósito (D1) y la caldera de la columna (C1) con la mezcla binaria, por ejemplo: metanol-etanol. Verificar si la planta piloto esté conectada a la red eléctrica. Verificar que el botón AUTO-PC del panel de control se encuentre en posición PC. 99

122 100 APÉNDICE D. MANUAL DE OPERACIÓN DE LA COLUMNA Verificar que los interruptores J1, J2, G1, G2 estén en posición 0. Activar la caja de control de alimentación general de la columna. Verificar si la planta piloto esté conectada a la red de aire comprimido, P=1.4. NOTA: esto se realiza en caso de uso de las válvulas neumáticas para el control del lazo FIC1 (flujo de agua) y PIC1 (presión). Activar en caso se uso. Verificar si la planta piloto esté conectada al suministro de alimentación de agua. Activar el interruptor para activar la bomba externa para el paso del agua hacia el condensador. Verificar que la llave de paso de agua este abierta. Verificar la conexión del cable serial entre la planta piloto y la computadora de la estación de monitoreo. Activar el extractor mediante el interruptor para eliminar la acumulación de gases provocados por la destilación. En el panel de control de la planta piloto activar el interruptor AUTO-DIFF. Presionar el pulsador start. Ejecutar el programa SPPD. Desde el panel principal del SPPD activar la resistencia J2, introducir el porcentaje de la potencia calefactora mediante el control de desplazamiento o introducir el valor numérico. Llevar a ebullición la mezcla. Dejar la columna en reflujo total. Si se requiere fijar la apertura y cierre de la electroválvula de reflujo seguir los siguientes pasos: - Seleccionar desde la barra de botones o de menú la aplicación de Tiempo apertura/cierre de EV1. - Fijar el tiempo de apertura de EV1 mediante el temporizador de Tiempo de marcha. - Fijar el tiempo de cierre de EV1 mediante el temporizador de Tiempo de parada.

123 D.1. PROCEDIMIENTO DE PUESTA EN MARCHA DE LA PPD Si se requiere ejecutar los tiempos anteriores en un determinado tiempo, introducir el valor en minutos en el control Ejecución en minutos. Activar el botón OFF/ON para ejecutar las acciones. Al finalizar el tiempo de ejecución, automáticamente detiene las acciones de apertura y cierre de EV1. - Si no se requiere ejecutar las acciones en un determinado tiempo dejar en 0 el control Ejecución en minutos. Activar el botón OFF/ON para ejecutar las acciones de tiempo. Para detener la apertura/cierre en cualquier instante de tiempo, pasar del estado ON al OFF el control de EV1. - Cerrar la aplicación. Activar la resistencia de precalentamiento (J1) desde el panel principal del SPPD para la alimentar la planta piloto. Introducir el porcentaje de calefacción mediante el control de desplazamiento o introducir el valor numérico, NOTA: ver las medidas de seguridad. Poner en marcha la bomba de alimentación (G1). Para el funcionamiento de la bomba, proceder de la siguiente manera: - Encender la bomba de alimentación mediante el control (G1) del panel del SPPD. - Introducir el valor de la frecuencia de bombeo. - Poner en marcha la alimentación de la bomba al oprimir el botón STOP/START del dispositivo físico de la bomba (G1). Para detener la alimentación, proceder de la siguiente manera: - Oprimir el botón STOP/START del dispositivo físico de la bomba (G1. - Apagar la bomba de alimentación mediante el control (G1) del panel del SPPD. Si requiere manipular el control PID de cada lazo de control TIC1, FIC1, abrir la aplicación Controlador Digitric1. Manipular los parámetros P,I y D seleccionando cual lazo requiere modificar y controlar.

124 102 APÉNDICE D. MANUAL DE OPERACIÓN DE LA COLUMNA D.2. Parada de la planta parada: Al término del uso de la columna de destilación se debe seguir el siguiente proceso de Reducir la temperatura de alimentación de J1. Realizar decrementos significativos del valor de porcentaje de potencia indicado en la SPPD. Reducir la temperatura del hervidor J2. Realizar decrementos de 10 en 10 del valor de porcentaje de potencia suministrada por la SPPD con intervalos de tiempo entre cada uno alrededor de 15 a 20 minutos. Verificar que la bomba G1 esté inactiva y apagada. Verificar que la bomba G2 esté inactiva. Verificar que la electroválvula EV1 esté en estado inactivo. Verificar que las temperatura de J1 y J2 sean mínimas para su posible inactividad. Cerrar la válvula FV1, de entrada de alimentación de agua al condensador. Vaciar el producto del depósito D2. Vaciar el depósito D3. Vaciar el producto del hervidor C1. Apagar el extractor y la bomba de alimentación de agua del condensador. Apagar la columna de destilación. D.3. Medidas de seguridad Estas son algunas medidas de seguridad que deben ser tomadas para evitar problemas de operación de la columna y minimizar los problemas de riesgo en la planta piloto y principalmente al usuario. Tomar las siguientes precauciones:

125 D.3. MEDIDAS DE SEGURIDAD Usar una máscara facial completa con filtro. - Usar protección de los ojos: lentes con protección completa de los ojos. - Usar protección de las manos: usar guantes de látex o de goma. - Usar protección del cuerpo: bata. - No fumar. Tener la precaución de apertura de la válvula V11 (plato de alimentación) para evitar la acumulación de gases en la resistencia J1 (resistencia de precalentamiento) y sea riesgo de explosión. El método para apagar J1 y J2 se realiza con decrementos al valor de potencia de calefacción durante 15 a 20 minutos. Con esto se evita un posible cambio de temperatura súbito que produzca la ruptura de los recipientes de vidrio. NO se deberá apagar J1 y J2 sin antes verificar que todas las temperaturas sean las mínimas. El sistema de monitoreo integra una ventana de aviso para indicar al usuario que los depósitos C1 (hervidor) y D1 (alimentación) contengan mezcla. Esta ventana aparece después de la ejecución del sistema de monitoreo SPPD.

126 104 APÉNDICE D. MANUAL DE OPERACIÓN DE LA COLUMNA

127 Apéndice E Entorno y conceptos de LabVIEW LabVIEW R es un lenguaje de programación gráfica para el diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control. Permite diseñar interfaz de usuario mediante una consola interactiva basada en software, a la vez compatible con herramientas de desarrollo similares y puede trabajar con programas de otras áreas de aplicación, por ejemplo Matlab R. Además, tiene la ventaja de ser una herramienta de fácil integración con hardware, específicamente con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de datos, (ejemplo reguladores de control Digitric 500). A continuación se dan algunos conceptos de las herramientas que integran el ambiente de LabVIEW R para el desarrollo de la estación de monitoreo llamado Sistema de la Planta Piloto de Destilación SPPD. Array: Arreglo, es una colección de datos del mismo tipo, puede tener 1 ó N dimensiones. Los arreglos pueden ser de cualquier tipo de datos, sin embargo no se pueden tener arreglo de arreglos, arreglos de gráficas o de gráficas de barrido. Bundle: Ensambla diferentes elementos en un cluster. 105

128 106 APÉNDICE E. ENTORNO Y CONCEPTOS DE LABVIEW Case structure: Contiene multiples subdiagramas, solo uno de ellos se ejecuta dependiendo del valor de entrada de la estructura. Clusters: Elemento o estructura que agrupa diferentes datos. Control palette: Esta variable es única en el panel frontal. Contiene los controles e indicadores que se crean en el panel frontal. Diagrama de bloques: Contiene el código fuente gráfico (de la aplicación) que define la funcionalidad del VI. Event structure: Contiene uno o más subdiagramas que se ejecutan dependiendo de la interacción del usuario con el VI. Expression node: Calcula la expresión o ecuación que tiene la variable de entrada. Formula node: Permite escribir formulas matemáticas u operaciones de forma directa, basados en un valor de entrada.

129 107 For loop: Ejecuta un subdiagrama un número de veces. Global variable: Esta variable se usa para acceder o pasar datos entre varios VI s. Local variable: Esta variable se usa para acceder o pasar datos dentro de una misma aplicación para eliminar cableado (wire). Panel frontal: Es la interfaz de usuario en un instrumento virtual. Patch, refnums: Consiste en controles e indicadores para las rutas de archivos y referencias de números. Sequence structure: Contiene uno o mas subdiagramas, los cuales se ejecutan en orden secuencial. SubVI: Sub- instrumento virtual, similar a funciones o subrutinas en el lenguaje de programación convencional. Estos SubVI s son llamado desde otros VI s de un nivel mas alto, lo que permite crear programas de bloques modulares. Type cast: Convierte la variable x al tipo de dato (type).

130 108 APÉNDICE E. ENTORNO Y CONCEPTOS DE LABVIEW Unbundle: Separa un cluster en sus elementos individuales. Unbundle by name: Regresa el elemento cluster con su nombre especifico. VI s: Instrumento virtual, define un programa en LabVIEW R. Waveform graph: Muestra los datos adquiridos de un rango de constantes. Wire: Transfiere datos entre los objetos del diagrama de bloques a través de cables. While loop: Ejecuta un subprograma hasta que la condición se cumpla.

131 Apéndice F Implementación de algoritmos de control F.1. Requerimientos del sistema Usted debe tener instalado los siguientes programas en su computadora: Procesador Pentium III, 250 Mb RAM. Window 2000 o XP. National Instruments LabVIEW 7.1 o posterior, Full o Profesional Development Systems. Librería NI MODBUS library R. Librería Report generation toolkit V3.0 R. Librería PID Control toolset R. El código en LabVIEW R del Sistema de la Planta Piloto de destilación SPPD (desarrollado en este trabajo). Para mayor información de este código, referirse con el Dr. Carlos Manuel Astorga Zaragoza o el Dr. Rigoberto Longoria Ramírez. 109

132 110 APÉNDICE F. IMPLEMENTACIÓN DE ALGORITMOS DE CONTROL F.2. Implementación de algoritmo Este apéndice provee pasos detallados para interactuar con el SPPD y la implementación de tú algoritmo de control. A continuación se explican las librerías necesarias y los pasos a seguir en la implementación del algoritmo. MODBUS Library Esta librería es una aplicación que permite comunicar al SPPD con la instrumentación de la planta piloto. En la Figura F.1 se muestra la librería dentro de la paleta de herramientas del diagrama de bloques de LabVIEW R Figura F.1: NI MODBUS Library PID Control Toolset Ésta librería esta organizada por: PID Control, Fuzzy Logic Control y Advanced Control, siendo este último el necesario para implementar algoritmos de control. Advanced Control VIs está dividido en las siguientes sub-paletas: Continuos linear, Discrete Linear y Lonlinear. Figura F.2: NI PID Control Toolset

133 F.2. IMPLEMENTACIÓN DE ALGORITMO 111 Figura F.3: Ejemplo de modelo en Simulink A continuación se explica la forma de implementar un algoritmo de control. En la Figura F.3 se muestra un ejemplo de un algoritmo complejo desarrollado en Matlab 1, el cual tiene la finalidad de controlar el flujo de agua al condensador. El diseño controla la apertura proporcional de la válvula de regulación FIC1. Se mide la cantidad de flujo de agua hacia el condensador mediante FIC1. PASO 1. Crear desde LabVIEW un nuevo programa y almacenarlo en la misma carpeta que contenga el código original de la PPD, se recomienda que el nombre corresponda al tipo de algoritmo. PASO 2. Abrir el código del SPPD, en el programa llamado VI aplicaciones agregar el VI generado anteriormente. Para esto, dar clic secundario de la paleta de funciones seleccionar Select a VI, en la pantalla que aparece buscar el VI generado. Aceptar. Posteriormente se agrega el nuevo programa como se indica en la Figura F.4. PASO 3. Dentro del VI realiza la programación necesaria para interactuar entre los dispositivos físicos de la columna y el algoritmo de control. Para esto es necesario utilizar las variables globales que indican cada dispositivo físico de la columna. Para agregar una variable global al VI, dar clic secundario, seleccionar Select a VI, posteriormente buscar en el menú el VI llamado Globales, aceptar. Seleccionar la variable de entrada FIC1, agregar la variable global de salida FC1. En la Figura F.5 se muestra el ejemplo de implementación, donde las variables de entrada son (FIC1) (medidor de flujo de la columna) y el control del punto de ajuste. En el Formula Node se agrega el código del mfile de Simulink [LabVIEW II, 1999]. 1 Este ejemplo solo es una representación para efectos de explicar el proceso de implementación.

134 112 APÉNDICE F. IMPLEMENTACIÓN DE ALGORITMOS DE CONTROL Figura F.4: Nuevo algoritmo La salida o variable a controlar (FC1) envía la información del nuevo valor para indicar el porcentaje de apertura de la electroválvula. Figura F.5: Implementación del nuevo algoritmo de control.

135 F.2. IMPLEMENTACIÓN DE ALGORITMO 113 PASO 4. La aplicación final del algoritmo de control, se agrega como un acceso directo desde la barra de menú 2. Dentro del ciclo While control de barra de menú agregar una estructura Case, la variable global Ring y el nombre del nuevo algoritmo, como se indica en la Figura F.6. Figura F.6: Agregar nueva estructura al SPPD. En el VI llamado VI propiedades de menú agregar un set menu item info, y agregar un nombre corto que indique el algoritmo. En la Figura F.7 se muestra el nombre que indica la aplicación del regulador 1 y del regulador 2. Figura F.7: Agregar nueva propiedad a la barra de menú. 2 No se recomienda agregar un acceso directo en la barra de botones para evitar la saturación de la misma.

136 114 APÉNDICE F. IMPLEMENTACIÓN DE ALGORITMOS DE CONTROL En la barra de menú del SPPD, en el menú Edit >> Run-Time Menu agregar en el apartado de tiempo real del nuevo nombre del algoritmo, este nombre debe ser igual al del set menu item info. Figura F.8: Agregar apartado a la barra de menú del SPPD Los pasos anteriormente mencionados son una ayuda general para implementar algoritmos de control. El grado de complejidad y de programación varía dependiendo del mfile diseñado en Matlab.

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