Desarrollo e implementación de una estación de monitoreo y control para una columna de destilación.

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1 Desarrollo e implementación de una estación de monitoreo y control para una columna de destilación. F. Rivas-Cruz 1, C. M. Astorga-Zaragoza 2, D. Juárez-Romero 2, F. R. López-Estrada 2. 1 Instituto de Investigaciones Eléctricas - IIE, Cuernavaca, Morelos, 62490, México. fernando.rivas.cruz@gmail.com 2 Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico-CENIDET, Cuernavaca, Morelos, 62490, México. astorga@cenidet.edu.mx Resumen En este trabajo se presenta el desarrollo de una estación de monitoreo y control para una planta piloto de destilación. El protocolo MODBUS es la solución tecnológica de comunicación entre la computadora como unidad de control y la planta piloto. El diseño del sistema de monitoreo se presenta en un ambiente gráfico y de fácil uso para el operador, con la capacidad de monitorear y manipular las variables físicas que intervienen en el proceso de destilación. I. INTRODUCCIÓN La destilación es el proceso de separación empleado en la industria alimenticia, farmacéutica, perfumera y petroquímica. Su aplicación va desde la destilación de alcohol hasta el fraccionamiento del petróleo. 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 la finalidad de aumentar la calidad de la producción y el nivel de seguridad de la planta. El monitoreo de las variables y el análisis en tiempo real, presentan una serie de ventajas entre las que destacan: 1) controlar la planta para incrementar la calidad del producto; 2) supervisar los procesos existentes, para actuar ante cualquier cambio o perturbación de las variables de entrada; 3) comparar distintas alternativas de control sin modificar la planta real y en función de los resultados, tomar una decisión; 4) realizar mediciones de las variables de proceso, además de reemplazar la instrumentación de costo elevado o inexistente. Algunos ejemplos de desarrollo de sistemas de monitoreo y/o control en línea de diversos parámetros de columnas de destilación se puede mencionar en la referencia [1]. Un desarrollo de interfaz de sistema de control distribuido, en este trabajo se implementa diferentes controladores y técnicas de operación. En el trabajo [2], se presenta una interfaz para mostrar la respuesta de una columna de destilación a un modelo con el programa Ecosimpro; otro ejemplo de sistema de monitoreo, se desarrolló mediante el uso de tarjetas de adquisición de datos [3]. Dentro del ámbito de la automatización industrial el uso de los buses de campo como es el MODBUS se ha convertido en toda una realidad para el monitoreo y control de sus procesos, por mencionar algunos desarrollos: en [4] se presenta un sistema de control distribuido para cámaras de crecimiento de plantas; las composiciones de oxígeno, dióxido de carbono y las concentraciones de nitrógeno son monitoreadas mediante el proceso de cromatografía de gases enviado desde una PC. En la referencia [5] se presenta un sistema inalámbrico para una unidad terminal remota (UTR) y en [6] un sistema de control de calidad en ambientes industriales usando procesamiento de imágenes. El CENIDET cuenta con el programa DCA/EV; software original de la columna para manipular su instrumentación, sin embargo este software no se puede modificar para la implementación de algoritmos de control en lazo cerrado debido a que es un programa ejecutable. La contribución de este trabajo, consiste en el desarrollo de un sistema capaz de monitorear y manipular la instrumentación del proceso de destilación, principalmente al obtener un sistema a bajo costo de implementación. Esto permitirá implementar algoritmos de control (ejemplo, observadores de estado, controladores neuronales, controladores adaptivos, robustos, etc.). La aplicación se desarrolló basada en el protocolo MODBUS y con la herramienta de software comercial LabVIEW. II. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA PILOTO La planta piloto de destilación (PPD) consiste de un condensador (etapa 1), un hervidor (etapa n) y n-2 etapas. Una mezcla binaria se almacena en un depósito (D1). Esta alimenta en la columna mediante una bomba dosificadora (G1), luego de haber sido calentada por una resistencia eléctrica (J1) gobernada por un lazo de regulación. Tras haber llenado la caldera (C1), la mezcla se calienta a través de una resistencia eléctrica (J2). Durante la destilación, el componente más ligero se recupera en un deposito (D3) [7]. La planta piloto cuenta con tres lazos de control. Estos son:

2 L1. Control de temperatura de la alimentación: Este lazo controla la temperatura de la mezcla de alimentación en la columna mediante la potencia de calefacción de la resistencia eléctrica (J1), (Fig. 1). El control de la temperatura afecta la curva de operación de la separación. Fig. 1. Control de temperatura de alimentación. L2. Control de flujo de agua de enfriamiento al condensador: Controla el flujo de agua al condensador (E1) y dicho lazo afecta de forma directa el flujo de líquido L de los platos, ya que al tener variación de líquido de enfriamiento, varía el porcentaje de líquido que se condensa, ver Fig. 2. Fig. 2. Control de flujo de agua de enfriamiento. L3. Control de presión: La planta piloto de destilación puede operarse a presiones atmosféricas o de vacío. El controlador PIC1 permite regular la presión de vacío, ver Fig. 3. Fig. 3. Control de presión. A continuación se enumeran algunas de las partes que integran la columna de destilación: - hervidor (C1) de watts con capacidad de 6L, - condensador (E1), - válvula neumática (FV1) y válvula de reflujo (EV1), - deposito de alimentación (D1) de 15 L., deposito de producto destilado (D3) con capacidad de 1L., - termoresistencia eléctrica de precalentamiento (J1), - 12 sensores de temperatura tipo RTDs y 12 indicadores electrónicos, - transmisor de flujo de área variable (FI1) y transmisor de nivel (LT1) y transmisor electrónico de presión diferencial (PdI1) 2.1 Reguladores de control Toda la instrumentación de la PPD se conecta a dos reguladores, denominados Digitric 500 de la marca ABB. Estos dispositivos tienen una interfaz serie RS485 para comunicación entre el regulador y la PC, mediante el protocolo MODBUS [9], [10]. Estos dispositivos cuentan con las siguientes características: Entrada universal para el control de variables (termoresistencias, temperatura, etc.) con rangos de medición configurable. Entradas/salidas digitales configurables. Capacidad de bus RS485 para interfaz MODBUS. Capacidad para integrar 4 lazos de control. Memoria de almacenamiento de datos EPROM. 2.2 Bus de campo MODBUS Un bus de campo, se define 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. Algunas de las ventajas que aporta una estructura de automatización basada en bus de campo son: 1. Facilita la descentralización, las ventajas son: eficiencia, flexibilidad, fiabilidad. 2. El cableado se ve reducido en gran medida. Esto supone un ahorro económico en la instalación del mismo, facilitando el mantenimiento y la detección de fallas en el sistema. El protocolo MODBUS fue desarrollado por la compañía Modicon a finales de 1980 para comunicaciones entre PLCs [8]. Durante una 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 principal característica de este bus de campo es el control de acceso al medio, tipo maestro-esclavo (ejemplo PC-planta piloto), en la cual, sólo un dispositivo (el maestro) puede iniciar peticiones, los otros dispositivos (los esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado o realizando la acción solicitada en la petición [8], ver la Fig. 4. Fig. 4. Ciclo petición-respuesta, maestro-esclavo.

3 III. DISEÑO Y DESARROLLO DEL SISTEMA DE MONITOREO Para el control de la PPD, se requiere de una programación que proporcione una interfaz gráfica donde el usuario pueda seguir la evolución de las variables sensadas en línea. Para cumplir con estas características, Lab- VIEW es el programa usado para realizar las tareas de adquisición, análisis y presentación de datos. Adicionalmente se utilizan las siguientes herramientas para el desarrollo de la estación de monitoreo: MODBUS Library. Librería encargada de la lectura/escritura a dispositivos sobre una red de comunicación MODBUS. LabVIEW PID Control Toolset. Esta herramienta permite implementar algoritmos de control realizados en Simulink. Combina las funciones del control PID. LabVIEW Report Generation Toolkit. Provee la herramienta para crear y editar reportes en formato Excel. El ambiente jerárquico generado para la estación de monitoreo (ver la Fig. 5), permite la lectura y/o escritura a los diferentes dispositivos de la PPD, mediante el ciclo petición-respuesta de MODBUS. Fig. 5. Jerarquía de la estación de monitoreo. 3.1 Diagrama a bloques principal En el diseño de la estación de monitoreo se tienen cuatro principales operaciones a realizar: 1. Aplicación de control de botones y barra de menú. 2. Aplicación leer/escribir datos de la instrumentación conectada a los dispositivos Digitric Aplicación para almacenar los datos de todas las variables implicadas en la destilación. 4. 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. En la Fig. 6 se muestra el diagrama de flujo principal y las operaciones que se ejecutan simultáneamente, [11]. A continuación se explican los subdiagramas principales en el desarrollo del Sistema de la Planta Piloto de Destilación (SPPD): 1. Inicializar controles e indicadores. Este subprograma se encarga de asignar un valor igual a cero a los controles e indicadores de la pantalla principal del sistema de monitoreo antes de iniciar la manipulación de la columna. Se incluye la rutina para leer la configuración del puerto serie del protocolo MODBUS. Fig. 6. Diagrama de flujo principal. 2. Aplicación control de botones. Estructura de eventos que permite llamar las acciones desde la barra de menú o botones. 3. Lectura/escritura de las variables mediante la librería MODBUS. Consiste de cinco subdiagramas que se ejecutan simultáneamente para escribir/leer los datos de cada dispositivo de la columna enviadas en tiempo real a cada indicador de la estación (SPPD). 4. Guardar datos. Se encarga de alma-cenar los datos de la columna para generar el reporte en formato Excel. El tiempo de muestreo es de 3 segundos. El archivo de almacenamiento de datos se genera de la siguiente forma: (Experimento-(dd-mm-aa).dat) 3.2 Estación de monitoreo y control (SPPD) La Fig. 7 muestra el aspecto de la estación de monitoreo (SPPD). La pantalla principal contiene un diagrama sinóptico del proceso de destilación y la constituyen los siguientes elementos: 1. Diagrama esquemático de instrumentación. 2. Barra de menú: Esta barra permite la ejecución de las siguientes acciones: Habilitar-deshabilitar la adquisición de datos de la planta. Almacenamiento de datos en línea y la visualización de todas las variables en tiempo real. Configurar el protocolo MODBUS. Encender-apagar: la bomba de alimentación (G1), la bomba de vacío (G2), la resistencia eléctrica del hervidor (J2), la resistencia eléctrica de precalentamiento (J1). Encender-apagar la electroválvula de regulación de la razón de reflujo (EV1) y modificar sus tiempos de apertura-cierre. Modificar los parámetros de sintonía de los lazos de regulación (TIC1, FIC1, PIC1). Reporte en formato Excel de todas las variables. Visualizar en forma gráfica las temperaturas en tiempo real (12 sensores RTDs tipo PT100). Recuperación de datos adquiridos. 3. Barra de botones: Permite al usuario un acceso rápido de las acciones que se ejecutan en la barra de menú.

4 Fig. 7. Panel principal del Sistema de la Planta Piloto de Destilación (SPPD). IV. OPERACIÓN DEL SISTEMA INTEGRADO A continuación se da una descripción de algunas operaciones que integran la estación de monitoreo y control: Configuración del puerto serie: La aplicación de la configuración de transmisión serie se muestra en la Fig. 8. Las variables a configurar son: el puerto serie, el bit de paro, baudios y el tipo de comunicación. Control de apertura/cierre de la válvula de reflujo: 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. Se integra el control de los tiempos (apertura-cierre) de (EV1), ver la Fig. 9. Manipulación de los lazos de control: Esta aplicación permite modificar el valor del punto de referencia o del punto de ajuste, los parámetros de control PID, visualizar gráficamente los valores de salida y de los puntos de referencia de los tres lazos de regulación (descrito en sección II), ver la Fig. 10. Fig. 8. Fig. 9. Configuración puerto serial. Aplicación de control de EV1. V. RESULTADOS Con el objetivo de verificar la funcionalidad de cada aplicación del sistema de monitoreo, se realizaron pruebas de la puesta en marcha de la PPD. En la Fig. 11 se muestra el bosquejo de la implementación de la estación de monitoreo a la columna de destilación, mediante el controlador Digitric 500. A continuación se ilustran los aspectos gráficos y la descripción de algunas aplicaciones: Fig. 10. Control de lazos TIC, FIC, PIC.

5 Fig. 11. Representación física del ambiente de monitoreo. 1. El panel principal de la estación de monitoreo permite manipular los actuadores de tipo on-off. En la Fig. 12 se muestra el ejemplo del control de la termoresistencia de alimentación (J1); mediante el control TC1 se modifica la potencia calefactora, con lo que varía la temperatura de la mezcla de alimentación; en el ejemplo se introduce 40% de la potencia (0-500 watts) de J1. 2. La aplicación que muestra las gráficas de temperatura medidas mediante 12 sensores RTDs de platino PT100, permite visualizar la variación de las temperaturas en línea. La Fig. 13 muestra la selección de 5 gráficas de temperatura. La barra de botones tiene las siguientes funciones: salir, mostrar gráficas en mosaico, selección de gráficas, configuración de colores y de las escalas en los ejes (X, Y) de gráficas. 3. Los valores de todas las variables de temperatura, flujos, presiones y estado on-off de actuadores, se almacenan desde el inicio en un registro, para después presentar un reporte en formato Excel (ver la Fig. 14). Este reporte se genera con la fecha de uso de la estación de monitoreo, se muestra en la primer columna el tiempo de adquisición de datos, posteriormente todas las variables de la PPD. El periodo de muestreo es de 3 segundos (el tiempo de muestreo es configurable). 5.1 Implementación de algoritmos de control El Sistema de la Planta Piloto de Destilación SPPD tiene la capacidad de implementar algoritmos de control alternativos. La Fig. 15 muestra un ejemplo de control del flujo de agua al condensador. A continuación se explica de una manera sencilla la forma de implementación de este algoritmo en la interfaz del SPPD. Mediante la creación de un nuevo VI (Virtual Instrument) se escribe el código del algoritmo con la programación adecuada. Las variables requeridas son: variable de entrada FIC1 (medidor de flujo de agua), la variable a controlar FC1 (apertura proporcional de la válvula neumática) y el punto de ajuste. Fig. 12. Fig. 13. Fig. 14. Control de lazos desde panel principal. Panel de gráficas de temperatura. Reporte en formato Excel.

6 Fig. 15. Ejemplo de modelo en Simulink. Para agregar las variables de entrada y salida del modelo, cada control o indicador del SPPD (conectado a las variables físicas de la columna), se definen mediante el uso de variables globales. En la Fig. 16 muestra el ejemplo de implementación del modelo mediante el uso de un ciclo while, la variable global FIC1 (entrada), un Formula Node donde se permite escribir formulas y algoritmos matemáticas como el código de archivos mfile de Simulink que representa el control desarrollado. Fig. 16. Implementación del algoritmo. En este ejemplo, las variables de entrada FIC1 y del punto de ajuste se conectan a la entrada de Formula Node, dentro de este, se escribe el código mfile del modelo de control. La salida del Formula Node es la variable a controlar (FC1); se envía la información del nuevo valor para indicar el porcentaje de apertura de la electroválvula. El subvi ADV 1/s representa la técnica de Runge-Kutta de Matlab, la siguiente iteración se actualiza con el uso de shift registers. VI. CONCLUSIONES El sistema desarrollado permite monitorear las diversas variables físicas que intervienen en el proceso de destilación. Esta aplicación en tiempo real, tiene la gran ventaja de 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 versatilidad de la estación radica en el uso del protocolo MODBUS, para disponer de un sistema de adquisición de datos a bajo costo de instrumentación y permitir de una manera efectiva y flexible, un control preciso y de gran calidad en el proceso de destilación, 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. El esquema del sistema de monitoreo presentado, se puede usar en escala a nivel industrial, debido a la programación modular y cumpliendo con los estándares de confiabilidad. Se permite realizar el estudio de la columna en lazo abierto, hasta la implementación de algoritmos de control complejos, con lo cual se puede optimizar el proceso a su máxima capacidad. Se puede contar con un servidor de Internet, permitiendo a usuarios autorizados, acceder a una página web de la PPD para visualizar en línea el estudio del proceso de destilación con fines didácticos o supervisión de la operación y/o teleoperación de procesos industriales. REFERENCIAS [1] J. M Zamarreño, "Comunicación de LabVIEW con ecosimpro para la generación de predicciones en una columna de destilación," Reporte interno, Departamento de Ingeniería Automática, Universidad de Valladolid, España, [2] A. Nooraii y J. A. Romagnoli, "Implementation of advanced operational and control techniques for a pilot distillation column within a DCS environment," Computer Chemical Engineering, no. 22, pág , [3] I. Rodríguez, "Implementación de un sistema dedicado al monitoreo de condiciones de proceso en una columna de destilación experimentar," Reporte Interno, Grupo de Exergía, Instituto Mexicano del Petróleo IMP, [4] D. Brown y R. E. Lacey, "A distributed control system for low pressure plan growth chambers," ASAE Annual Meeting, no , [5] L. Ramírez, J.P. Acevedo, R.G. Maldonado, y E. Espinosa, "Wireless system for electrical networks testing based on MODBUS protocol," CONIELECOMP 04 IEEE Computer Society, [6] P. Schalk, E. Fauster, P. O Lear, y M. Weiss, "Framework for automatic quality control in industrial environments using distributed image processing," Journal of Electronic Imaging, no. 12, pág , [7] -----, "Planta piloto automatizada y computerizada de destilación continua, MOD. DCA/EV," Manual profesor/alumno, Electrónica Veneta, Italia. [8] S. Pefhany, "MODBUS Protocol," PDF format Version, Enero, [9] -----, "An industrial controller with format, Digitric 500," Clasificación 50/61-05, ABB Group, Alemania, [10] -----, "Protonic 100/500/550 Digitric 500, Modbus Interface description," Clasificación 42/ , ABB Group, Alemania, [11] F. Rivas Cruz, "Diseño de una estación de monitoreo de procesos. Aplicación a una columna de destilación," Tesis de Maestría. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, CENIDET, Cuernavaca, Morelos, México, 2006.