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cenidet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Mecatrónica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
“Automatización de una Columna de Destilación”
presentada por:
Juan José Espinoza Amaro Ing. en Sistemas Computacionales por el I. T. de Zacatepec
Octavio Pérez Álvarez
Ing. Mecánico por el I. T. de Mexicali
como requisito para la obtención del grado de: Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica
Directores de tesis: Dra. Ma. Guadalupe López López
Dr. Víctor Manuel Alvarado Martínez
Jurado: Dr. Jorge Hugo Calleja Gjumlich – Presidente
Dr. Gerardo Reyes Salgado – Secretario Dr. Víctor Manuel Alvarado Martínez – Vocal
Dra. Ma. Guadalupe López López – Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, México Enero 2009
M10
M11
A mi madre Vicky y a toda la familia por su apoyo incondicional
JuanJo
…a mis padres
…por apoyarme incondicionalmente al perseguir mis sueños
…ser el mejor ejemplo en mi vida
…y mis mejores amigos
…a quienes ya no están presentes
…pero dejaron mi alma llena
…de enseñanzas y recuerdos
…a mi familia
… por ser como somos :P
…a Dios por cuidar mi caminar
t_a_v_o
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a nuestros maestros, quienes nos brindaron parte de sus
conocimientos, experiencias y nos enseñaran a dar siempre más de nosotros
mismos.
Agradecemos a los amigos con los que recorrimos este viaje, por compartir
desvelos, experiencias, discusiones, conocimientos y ánimos en los momentos
difíciles.
Agradecemos a nuestros directores de tesis, Dra. Ma. Guadalupe López y Dr.
Víctor Alvarado por guiarnos en la culminación de esta experiencia.
Agradecemos a nuestros revisores, Dr. Hugo Calleja y Dr. Gerardo Reyes por
sus acertados comentarios que enriquecieran este trabajo.
Agradecemos al M.C. José Luís González-Rubio por ser maestro y amigo.
Agradecemos al Ing. David Chávez por su disposición y todas las facilidades
proporcionadas en el laboratorio de mecatrónica.
Agradecemos a COSNET y SEP por apoyarnos económicamente durante
nuestra estancia.
Agradecemos al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico por
brindarnos la oportunidad de avanzar un peldaño más en nuestra formación
profesional.
RESUMEN
En este trabajo de tesis se diseña, construye e implementa un sistema de control asistido por
computadora, basado en software libre y en un diseño de hardware propio para la planta
piloto de destilación del cenidet, sustituyendo a los controladores de fábrica.
Se realiza un diseño de forma modular tanto en la parte hardware como software, lo
que brinda una mayor flexibilidad a la totalidad del sistema, permitiendo adaptarlo con
facilidad a otro tipo de sistemas o aplicaciones.
En la parte electrónica se emplean componentes de fácil adquisición para facilitar el
sustituir, reparar o modificar alguno de sus elementos.
Se desarrolla una interfaz gráfica de supervisión y control más completa, amigable y
flexible en comparación con la que acompaña a los controladores originales. En vez de
utilizar software propietario como Matlab/Simulink™ y LabView™, se emplea
Scilab/Sicos para diseñar y aplicar nuevos controladores.
De esta forma se aumenta el potencial de uso de la columna de destilación
eliminando las restricciones del equipo original y añadiendo las ventajas que un sistema
CACSD (Computer Aided Control System Design) conlleva. Además se incursiona en el
uso de software libre y el sistema operativo Linux para aplicaciones de control, situación
que no se ha presentado en la institución.
ABSTRACT
In this work, the original controllers of the distillation column of cenidet are replaced by a
Computer Aided Control System Design (CACSD), based on free software and own
hardware design.
Modular design of the system is made for hardware and software parts to offer
larger flexibility, making easer its implementation over a wide range of applications.
The simple and accessible elements used to construct the electronic modules assure
a straightforward way to substitute any element, to repair or to re-design the modules.
Compared with the originals controllers of the distillation column, a more complete,
friendly and flexible graphic users interface for monitoring and control works has been
developed. Rather than proprietary software like Matlab/Simulink™ & LabView™, the
Scilab/Scicos capacities were profited to apply and design new controllers.
The present work increased the column distillation potential, eliminating original
equipment restrictions and adding CACSD advantages. Thus, institution incursion on the
use of free software and Linux operating system shows the viability to develop control
applications with theses utilities.
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................................................... V
LISTA DE TABLAS .................................................................................................................................... VII
NOTACIÓN ................................................................................................................................................... IX
1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 1
1.1 ANTECEDENTES ..................................................................................................................................... 1
1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................................................... 2
1.3 PROPUESTA DE SOLUCIÓN ....................................................................................................................... 3
1.4 JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................................................... 4
1.5 MOTIVACIÓN ........................................................................................................................................ 4
1.6 SOFTWARE LIBRE ................................................................................................................................... 5
1.7 OBJETIVOS ........................................................................................................................................... 7
1.8 ESPECIFICACIONES DE DISEÑO .................................................................................................................. 8
1.9 ESPECIFICACIONES FUNCIONALES .............................................................................................................. 8
1.10 METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN .................................................................................................................. 8
1.11 APORTACIONES DEL TRABAJO ................................................................................................................. 10
1.12 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO ........................................................................................................... 10
2 PLANTA PILOTO DE DESTILACIÓN ............................................................................................ 13
2.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 13
2.2 CONCEPTOS BÁSICOS ............................................................................................................................ 14
2.3 CARACTERÍSTICAS Y COMPONENTES DE LA PLANTA PILOTO DE DESTILACIÓN EN CENIDET ..................................... 25
2.4 ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................................ 29
3 CONCEPTOS BÁSICOS DE AUTOMATIZACIÓN ....................................................................... 31
3.1 AUTOMATIZACIÓN ............................................................................................................................... 31
3.2 SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DIRECTO .................................................................................................. 33
3.3 SISTEMAS DE CONTROL EN TIEMPO REAL .................................................................................................. 34
3.4 SISTEMAS DE CONTROL ASISTIDO POR COMPUTADORA ................................................................................ 36
3.5 AUTOMATIZACIÓN DE LA COLUMNA DE DESTILACIÓN .................................................................................. 37
ii
4 INTERFAZ ELECTRÓNICA ............................................................................................................. 43
4.1 FUNCIONES DE LOS CONTROLADORES DIGITRIC 500 ................................................................................... 46
4.2 DESCRIPCIÓN DE MÓDULOS DE LA INTERFAZ ELECTRÓNICA ........................................................................... 49
4.3 PLACA-COLUMNA ................................................................................................................................ 56
4.4 PLACA-DAQ ....................................................................................................................................... 57
5 INTERFAZ DE ENLACE E INTERFAZ DE USUARIO ................................................................ 59
5.1 INTERFAZ DE ENLACE ............................................................................................................................ 59
5.2 INTERFAZ DE USUARIO .......................................................................................................................... 61
6 SISTEMA DE CONTROL ASISTIDO POR COMPUTADORA PARA LA PPD ......................... 73
6.1 REQUERIMIENTOS DE SOFTWARE ............................................................................................................ 73
6.2 SCILAB/SCICOS .................................................................................................................................... 74
6.3 RTAI ................................................................................................................................................. 75
6.4 NI-DAQMX BASE ................................................................................................................................ 76
6.5 INTERFAZ CON SCILAB/SCICOS ................................................................................................................ 77
6.6 CONTROLADOR PID EN SCILAB/SCICOS .................................................................................................... 80
6.7 CONSTRUCCIÓN DE UNA APLICACIÓN DE CONTROL PARA LA PPD EN TIEMPO REAL ............................................ 82
7 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN ................................................ 85
7.1 PRUEBAS OPERACIONALES ..................................................................................................................... 85
7.2 DESEMPEÑO DE LA INTERFAZ DE USUARIO ................................................................................................. 90
7.3 CONTROL PID ..................................................................................................................................... 92
8 VALIDACIÓN .................................................................................................................................... 101
8.1 CONTROL DEL FLUJO DE AGUA AL CONDENSADOR ..................................................................................... 101
8.2 CONTROL DE TEMPERATURA DE ALIMENTACIÓN ....................................................................................... 108
8.3 COMPARACIÓN CON LOS CONTROLADORES DIGITRIC ................................................................................. 110
8.4 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 123
9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................ 125
9.1 COMPARACIÓN DEL SISTEMA DESARROLLADO Y EL ORIGINAL ....................................................................... 126
9.2 CONCLUSIONES GENERALES ................................................................................................................. 127
9.3 TRABAJOS FUTUROS PROPUESTOS ......................................................................................................... 127
REFERENCIAS ........................................................................................................................................... 129
iii
APÉNDICE .................................................................................................................................................. 131
A INTERFAZ HARDWARE ...................................................................................................................... 133
A.1 MÓDULO A ...................................................................................................................................... 135
A.2 MÓDULO B ...................................................................................................................................... 138
A.3 MÓDULO C ...................................................................................................................................... 141
A.4 MÓDULO D ...................................................................................................................................... 144
A.5 MÓDULO E ...................................................................................................................................... 147
A.6 MÓDULO F ...................................................................................................................................... 150
A.7 PLACA-DAQ .................................................................................................................................... 153
A.8 PLACA-COLUMNA .............................................................................................................................. 155
ANEXOS ....................................................................................................................................................... 159
MANUAL DE INSTALACIÓN
MANUAL DE USUARIO
MANUAL DE PROGRAMACIÓN
v
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2-1 COLUMNA DE DESTILACIÓN .......................................................................................................................... 14
FIGURA 2-2 COMPOSICIÓN DE EQUILIBRIO LÍQUIDO/VAPOR EN FUNCIÓN DE LA VOLATILIDAD RELATIVA ........................................ 18
FIGURA 2-3 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO METANOL-ETANOL ................................................................................................. 19
FIGURA 2-4 FLUJO DE VAPOR Y LÍQUIDO EN EL PROCESO DE DESTILACIÓN ............................................................................... 21
FIGURA 2-5 FOTOGRAFÍA DE LA PLANTA PILOTO DE DESTILACIÓN DE CENIDET. ...................................................................... 25
FIGURA 2-6 ESQUEMA GENERAL DE LA COLUMNA DE DESTILACIÓN E IDENTIFICACIÓN DE SUS LAZOS DE CONTROL. .......................... 28
FIGURA 3-1. SISTEMA DE TIEMPO REAL INTEGRADO EN UN SISTEMA DE CONTROL ..................................................................... 34
FIGURA 3-2. DEFINICIÓN DE LATENCIA Y FLUCTUACIÓN EN UNA TAREA PERIÓDICA .................................................................... 35
FIGURA 3-3 NIVELES E INTERRELACIÓN DE LAS INTERFASES DE AUTOMATIZACIÓN ..................................................................... 40
FIGURA 4-1 ESQUEMA GENERAL DE LA INTERFAZ ELECTRÓNICA MODULAR .............................................................................. 44
FIGURA 4-2 FOTOGRAFÍA DE LA PARTE POSTERIOR DE LOS CONTROLADORES DIGITRIC 500 ......................................................... 46
FIGURA 4-3 SEÑALES MANEJADAS POR EL CONTROLADOR DIGITRIC 500 REG-1 ...................................................................... 47
FIGURA 4-4 SEÑALES MANEJADAS POR EL CONTROLADOR DIGITRIC 500 REG-2 ...................................................................... 48
FIGURA 4-5 DIAGRAMA A BLOQUES DEL MODULO A ........................................................................................................... 51
FIGURA 4-6 DIAGRAMA A BLOQUES DEL MODULO B ........................................................................................................... 52
FIGURA 4-7 DIAGRAMA A BLOQUES DEL MODULO C ........................................................................................................... 53
FIGURA 4-8 DIAGRAMA A BLOQUES DEL MODULO D ........................................................................................................... 54
FIGURA 4-9 DIAGRAMA A BLOQUES DEL MODULO E ........................................................................................................... 55
FIGURA 4-10 DIAGRAMA A BLOQUES DEL MODULO F ......................................................................................................... 56
FIGURA 4-11 PLACA-COLUMNA...................................................................................................................................... 57
FIGURA 4-12 PLACA-DAQ ............................................................................................................................................ 58
FIGURA 5-1 INTERFAZ DE USUARIO ................................................................................................................................ 62
FIGURA 5-2 VENTANA PARA DEFINIR UN NUEVO DIAGRAMA HISTÓRICO .................................................................................. 63
FIGURA 5-3 EJEMPLO DE UN DIAGRAMA HISTÓRICO ............................................................................................................ 64
FIGURA 5-4 VENTANA LAZOS DE CONTROL. ...................................................................................................................... 65
FIGURA 5-5 VENTANA DE PROGRAMACIÓN DE EV1 ........................................................................................................... 66
FIGURA 5-6 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA SECUENCIA DE PROCESOS DE CONTROL Y ACTUALIZACIÓN DE LA INTERFAZ DE USUARIO ......... 68
FIGURA 5-7 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CONTROL DE CADA LAZO ....................................................................................... 70
FIGURA 5-8 DIAGRAMA DE FLUJO DEL CONTROL DE APERTURA Y CIERRE DE EV1 ..................................................................... 72
FIGURA 6-1. DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DINÁMICO Y RESULTADOS DE SIMULACIÓN EN SCICOS. ................................. 74
vi
FIGURA 6-2. XRTAILAB. ................................................................................................................................................ 76
FIGURA 6-3 BLOQUES QUE FORMAN LA INTERFAZ CON SCICOS ............................................................................................ 78
FIGURA 6-4 PROCESO PARA CREAR UNA APLICACIÓN A PARTIR DE UN DIAGRAMA DE BLOQUES EN SCICOS ..................................... 80
FIGURA 6-5 DIAGRAMA DE BLOQUES EN SCICOS PARA EL CONTROL DE FLUJO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO ................................... 81
FIGURA 6-6 CONTROLADOR PID EMPLEANDO FUNCIONES DE TRANSFERENCIA ....................................................................... 82
FIGURA 6-7 APLICACIÓN DESARROLLADA EN SCICOS PARA OPERAR LA COLUMNA DE DESTILACIÓN .............................................. 83
FIGURA 7-1 A) CONEXIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN A LA INTERFAZ ELECTRÓNICA. B) CONEXIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN A LOS
CONTROLADORES DIGITRIC 500™. ........................................................................................................................ 86
FIGURA 7-2 MUESTRAS (CÍRCULOS) Y APROXIMACIÓN LINEAL (LÍNEA CONTINUA) DE ALGUNOS SENSORES ..................................... 89
FIGURA 7-3 HISTOGRAMA DE LATENCIA .......................................................................................................................... 91
FIGURA 7-4 HISTOGRAMA DE FLUCTUACIONES ................................................................................................................. 91
FIGURA 7-5 CONTROL PI-D CON SEGUIMIENTO INTEGRAL .................................................................................................. 95
FIGURA 7-6 CONTROLADOR PI-D DIGITAL ....................................................................................................................... 97
FIGURA 7-7 CONTROLADOR I-PD DIGITAL ....................................................................................................................... 97
FIGURA 8-1 LAZO DE CONTROL DEL FLUJO DE AGUA AL CONDENSADOR ................................................................................ 101
FIGURA 8-2 PUESTA EN MARCHA DEL LAZO DE CONTROL #1 .............................................................................................. 103
FIGURA 8-3 A) RESPUESTA DEL CONTROL PI (LÍNEA SÓLIDA) Y PID (LÍNEA DISCONTINUA) AL LAZO #1. B) SEÑALES DE ERROR ........ 104
FIGURA 8-4 CONTROLADOR DIGITAL PROTOTIPO IMPLEMENTADO EN SCILAB........................................................................ 105
FIGURA 8-5 A) RESPUESTA ANTE UNA ENTRADA EN ESCALÓN, B) SEÑAL DE ERROR Y C) SEÑAL DE CONTROL ................................. 106
FIGURA 8-6 DIAGRAMA DE BLOQUES PARA GENERAR LA APLICACIÓN DE CONTROL EN TIEMPO REAL ........................................... 107
FIGURA 8-7 PRUEBA DE LA APLICACIÓN DE CONTROL DEL LAZO #1 DESDE LA INTERFAZ GRÁFICA XRTAI-LAB .............................. 108
FIGURA 8-8 CURVA DE REACCIÓN DEL LAZO #2 .............................................................................................................. 109
FIGURA 8-9 A) RESPUESTA ANTE UNA ENTRADA EN ESCALÓN DEL LAZO #2. B) SEÑAL DE CONTROL ............................................ 110
FIGURA 8-10 A) RESPUESTA OBTENIDA DE LA PRUEBA NO.1 MEDIANTE LA INTERFAZ CONSTRUIDA. B) SEÑAL DE CONTROL PARA
ACTUADORES. ................................................................................................................................................. 112
FIGURA 8-11 A) RESPUESTA OBTENIDA DE LA PRUEBA NO. 1 EMPLEANDO LA APLICACIÓN SPPD(CONTROLADORES DIGITRIC). B)
SEÑAL DE CONTROL PARA ACTUADORES. ............................................................................................................... 113
FIGURA 8-12 COMPARACIÓN DE LAS TEMPERATURAS REGISTRADAS EN LA PRIMERA PRUEBA. .................................................. 117
FIGURA 8-13 A) RESPUESTAS DE TEMPERATURAS OBTENIDAS DE LA PRUEBA NO.2 MEDIANTE LA INTERFAZ CONSTRUIDA. B)
NIVEL DE DESTILADO OBTENIDO .......................................................................................................................... 118
FIGURA 8-14 CAMBIO EN LAS TEMPERATURAS PARA LA PRUEBA #2 EMPLEANDO LOS CONTROLADORES DIGITRIC™. ..................... 119
FIGURA 8-15 COMPARACIÓN DEL NIVEL DEL DESTILADO Y DE LAS TEMPERATURAS REGISTRADAS EN LA SEGUNDA PRUEBA. ............ 122
vii
LISTA DE TABLAS
TABLA 2-1 CARACTERÍSTICAS METANOL-ETANOL ............................................................................................................... 24
TABLA 4-1 DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE LOS MÓDULOS EN LA INTERFAZ ELECTRÓNICA ......................................................... 49
TABLA 5-1 CAMPOS DE LA ESTRUCTURA EMPLEADA PARA COMUNICACIÓN ENTRE LA INTERFAZ DE ENLACE Y OTRAS APLICACIONES ..... 60
TABLA 7-1 MUESTRAS PARA LA TEMPERATURA DE ALIMENTACIÓN ........................................................................................ 87
TABLA 7-2 CARACTERÍSTICAS DE LOS ACONDICIONADORES DE SEÑAL ...................................................................................... 89
TABLA 8-1 PARÁMETROS DE DESEMPEÑO DE LOS CONTROLADORES PI Y PID ......................................................................... 104
ix
NOTACIÓN
Letras mayúsculas
EV1 Electroválvula de reflujo
J1 Termoresistencia eléctrica de precalentamiento de la alimentación (W)
J2 Termoresistencia eléctrica de calentamiento del hervidor (W)
G1 Bomba de alimentación (l/h)
T Periodo de muestreo (segundos)
tc Tiempo de cálculo (segundos)
Siglas cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
FSF (Free Software Foundation) Fundación de Software Libre
GNOME (GNU Network Object Model Environment) Entorno de Trabajo en Red
Orientado a Objetos.
GNU (GNU is Not Unix) GNU No es Unix
GPL (General Public Licence) Licencia pública general
GUI (Graphics User Interface ) Interfaz gráfica de usuario.
RTAI (Real Time Application Interface) Interfaz de aplicaciones en tiempo real
Abreviaturas CACSD (Computer Aided Control System Design) Sistema de control asistido por
computadora
DAQ (Data Adquisiton Card(Q)) Tarjeta de adquisición de datos
PC (Personal Computer) Computadora personal
PID Algoritmo de control proporcional, integral y derivativo
PPD Planta piloto de destilación
RTD (Resistive Temperatura Detector) Detector de temperatura resistivo
1 Introducción
1.1 Antecedentes
La destilación es el método de separación de sustancias químicas más antiguo e importante
que se conoce. Este proceso es uno de los más empleados en la industria química,
alimenticia, petroquímica y farmacéutica.
La necesidad de supervisión y control en un proceso industrial, como lo es la
destilación, requiere la implementación de un sistema de automatización. Estos sistemas
están formados básicamente por una computadora, un software de aplicación, hardware
especializado para la captura de señales (por ejemplo: tarjetas de adquisición de datos),
acondicionadores de señales, sensores y actuadores. Los sistemas de automatización
conformados por estos elementos apoyan tareas de monitoreo y control del proceso.
Actualmente el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
(cenidet) cuenta con una planta piloto de destilación continua. En resumen, la planta piloto
cuenta con 12 sensores de temperatura (RTD pt100), sensores de presión, de nivel y de
flujo; como actuadores se tienen dos electroválvulas, dos resistencias de calentamiento, dos
bombas (alimentación y vacío), regulador de flujo y de presión. Esta instrumentación está
conectada a dos controladores Digitric 500, los cuales ya incluyen acondicionadores para
los RTDs, recepción y generación de señales de 4 a 20 mA, relevadores internos y
regulación Proporcional-Integral-Derivativa (PID).
La columna posee la instrumentación necesaria para operar con un control en
versión automatizado o computarizado. El sistema de control en versión automatizado es un
PID, aplicable únicamente en lazos preestablecidos. Las operaciones se hacen directamente
con los botones en los controladores Digitric y no requiere enlace con PC. En la versión
computarizada se cuenta con un software de supervisión que puede emplearse en
computadoras IBM compatibles. El software permite a través del protocolo RS-485 de los
controladores Digitric manipular la planta, visualizar las magnitudes en forma numérica,
Automatización de una columna de destilación
2
modificar los parámetros PID de regulación y el encendido/apagado de los actuadores
[EV98].
En la institución se han realizado diversas tesis sobre la planta piloto; por ejemplo el
diseño de observadores en columnas de destilación [Tor05], el diseño de un controlador de
tipo predictivo para la columna [Val06]. La tesis de [Riv06] en términos generales
aprovecha la interfaz serie de los controladores actuales con la finalidad de sustituir el
programa original de la columna por uno propio creado en LabView™. Su programa
monitorea las variables y controla la columna con las mismas limitantes de los
controladores existentes con lazos PID preestablecidos y no hay capacidad de agregar o
modificar la instrumentación actual. Por lo tanto, es un sistema no flexible.
1.2 Descripción del problema
La configuración actual de la columna de destilación limita su potencial como equipo
educativo y de investigación aplicada.
Los usuarios de la columna de destilación del cenidet no pueden utilizar la planta
para probar diferentes esquemas de control o cambiar los lazos de control debido a que sólo
cuenta lazos fijos de control tipo PID.
Tampoco es posible, por la configuración cerrada del equipo, adicionar
instrumentos para el monitoreo y control de las variables involucradas en procesos que lo
requieran, ya que los controladores actuales tienen las entradas y salidas limitadas a su
configuración original.
Como ya se hizo mención, un primer intento por mejorar la automatización de la
planta piloto tuvo como objetivo mejorar solamente el software, aprovechando la
instrumentación original. Ésta fue una alternativa rápida pero costosa, ya que requirió la
licencia de software propietario, al igual que el sistema operativo correspondiente. Por otro
lado, el trabajar con los controladores comerciales equipados en la planta es una situación
poco realista a nivel industrial, pues su costo es demasiado elevado respecto a lo que
podemos encontrar comúnmente operando en la industria.
1 Introducción
3
1.3 Propuesta de solución
Con la finalidad de mejorar el sistema de automatización de la planta piloto de destilación
del cenidet, se propone remplazar los controladores Digitric 500 actuales por un sistema de
control asistido por computadora basado en software gratuito y en un diseño de hardware
propio.
Se propone diseñar, construir e implementar módulos electrónicos de
acondicionamiento para las señales de los sensores de la planta. Dichas señales se pasarán a
la PC empleando una tarjeta de adquisición de datos de bajo costo.
Este trabajo contempla también el desarrollo del software necesario para interactuar
con la tarjeta de adquisición de datos, el monitoreo del estado de cada sensor y la
generación de las señales para los actuadores mediante un algoritmo de control diseñado
por el usuario o por PIDs preconfigurados.
El desarrollo por módulos del sistema de automatización propuesto permitirá cierta
flexibilidad de cada una de sus partes, por ejemplo, será posible cambiar el algoritmo de
control, emplear tarjetas de adquisición compatibles, realizar ajustes en la interfaz de
usuario y añadir o modificar la instrumentación actual.
Con respecto al hardware, resulta importante la reducción de costos. Con la
configuración de automatización original, los dos controladores Digitric son indispensables
para la automatización de la planta piloto, y de existir algún problema con alguno de ellos,
se vuelve necesario enviarlo a reprogramar, reparar, o en el peor caso, requerir un nuevo
ejemplar. Al hacer la parte electrónica segmentada en módulos con componentes de fácil
adquisición, habrá mayor facilidad para sustituir alguno de sus elementos o modificar los
módulos.
Por la parte software, existen en el mercado paquetes con licencias de pago que
resultan en un costo extra en la implementación de un sistema de control asistido por
computadora. Emplear paquetes como MatLab/Simulink™ para el procesamiento numérico
y LabView™ para configurar una interfaz grafica en ambiente Windows™ tienen como
ventaja facilitar mucho las tareas, pero con las desventajas que el software propietario
conlleva: alto costo e incompatibilidad con nuevas versiones del mismo paquete o del
sistema operativo.
Automatización de una columna de destilación
4
Como solución a esto y aunado a las ventajas de utilizar el software libre y reducir
los costos de estos prácticamente a cero, se pretende dar un paso en este ámbito al sustituir
el uso de MatLab/Simulink™ por Scilab/Sicos y desarrollar la interfaz grafica a partir de
las librerías GTK utilizando un sistema operativo Linux modificado para trabajar en tiempo
real.
1.4 Justificación
El desarrollo de este trabajo de tesis permitirá que la planta piloto de destilación pueda ser
empleada como un equipo flexible. Esto significa que tendrá capacidad para cambiar el tipo
de control aplicado gracias a la integración del software Scilab/Scicos y RTAI; Tener la
posibilidad de agregar o modificar la instrumentación y adaptar la interfaz de usuario a
futuros proyectos de investigación.
La planta de destilación automatizada podrá usarse como material didáctico de
laboratorio para prácticas o como apoyo en la realización de tesis de mecatrónica u otros
grupos de investigación de la institución.
Se contará con una interfaz de usuario amigable y más flexible en comparación con
la que proporciona el controlador actual. El elaborar la interfaz en un lenguaje de
programación de alto nivel y contar con su código fuente permitirá que éste sea modificable
para nuevos requerimientos.
1.5 Motivación
Actualmente los paquetes de diseño de sistemas de control por computadora
(CACSD) son indispensables para desarrollar sistemas de control, tanto en el área industrial
como en la educación e investigación. Dos herramientas para el diseño de sistemas de
control son MatLab y Scilab. MatLab en un producto comercial, por su parte, Scilab es un
programa de código abierto que se encuentra disponible en Internet de forma gratuita. Para
programar aplicaciones de control en tiempo real se encuentra ampliamente extendido el
uso de las aplicaciones comerciales LabView y MatLab. LabView es un entorno de
programación gráfico para crear programas de adquisición de datos y control de
instrumentación en forma de diagramas de bloques. Similarmente, MatLab cuenta con
1 Introducción
5
Simulink y el Real-Time Workshop, un generador de código en C, para el desarrollo de
aplicaciones en tiempo real. Scilab incluye el paquete Scicos, semejante a Simulink, pero
no incluye un generador de código, sin embargo, se puede integrar con el paquete RTAI
para generar aplicaciones en tiempo real. RTAI, al igual que Scilab, se encuentra disponible
de forma gratuita en Internet y es de código abierto. El conjunto Scilab-RTAI se ha
aplicado en el control de sistemas lineales y no lineales, incluso cuando la planta a controlar
se considera inestable. Algunos trabajos que usan estas herramientas son [Buc03], [DM03],
y [Jug]. El área de mecatrónica de cenidet no cuenta con un proyecto desarrollado
empleando estas herramientas, por lo que este trabajo pretende ser un primer paso para la
integración del software libre en el desarrollo de proyectos de investigación en dicha
institución educativa.
1.6 Software libre
El software libre da a los usuarios la libertad de ejecutar, copiar, distribuir y modificar el
software. Por lo tanto, debe venir acompañado del código fuente. La definición de software
libre propuesta por la Free Software Foundation (FSF) se basa en cuatro libertades básicas
que cualquier programa considerado libre debe proporcionar:
• Libertad 0: libertad para ejecutar el programa sea cual sea nuestro propósito
• Libertad 1: libertad para estudiar el funcionamiento del programa
• Libertad 2: libertad de redistribuir el programa
• Libertad 3: libertad para mejorar el programa y publicar las mejoras
La FSF es la principal organización que patrocina el uso y desarrollo de software
libre a través del proyecto GNU. GNU es un acrónimo recursivo que significa “GNU No es
Unix” (GNU is Not Unix). El proyecto GNU fue iniciado por Richard Stallman con el
objetivo de crear un sistema operativo tipo Unix bajo la filosofía del software libre. La
licencia GNU GPL (General Public License o licencia pública general), creada por la FSF,
protege al software impidiendo que alguien incluya algún tipo de restricción a las libertades
del software, garantizando que al modificarse seguirá siendo software libre, ya que las
modificaciones realizadas no pueden ser publicadas con una licencia diferente. Su propósito
es declarar que el software cubierto por esta licencia es software libre y protegerlo de
Automatización de una columna de destilación
6
intentos de apropiación. Con ésta licencia, los autores permiten utilizar, modificar y
redistribuir sus programas, pero siguen manteniendo sus derechos y reconocimiento como
autores de la obra.
El término Open Source se emplea para evitar dar la percepción de que el software
libre es un recurso gratuito y para enfatizar el hecho de que el código fuente está
disponible. Su filosofía centra su atención en la premisa de que al compartir el código y ser
modificado, el programa resultante tiende a ser de calidad superior al software propietario.
1.6.1 Ventajas y desventajas del software libre
El costo del software es un factor importante y en ocasiones determinante en la
elección del sistema informático que se usará durante la realización de un proyecto de
investigación. El software libre generalmente no tiene un costo asociado al pago de
licencias por uso, resultando en un bajo costo de adquisición.
El software libre es confiable, ya que al distribuirse junto con su código fuente, está
en un proceso de revisión pública y corrección de errores por parte de los usuarios. Uno de
los grandes problemas en la industria del software propietario es la dependencia que se crea
entre el fabricante y el cliente, ya que el cliente queda en espera de cualquier corrección o
mejora por parte del proveedor. Por el contrario, si el software libre tiene limitaciones o no
es adecuado para una tarea, se puede adaptar para satisfacer necesidades específicas,
proporcionando independencia tecnológica.
Otra ventaja del software libre es el soporte y la compatibilidad a largo plazo ya que
se basa en formatos y estándares abiertos. Los formatos libres garantizan la libertad de los
usuarios para intercambiar información independientemente de la aplicación que utilicen.
Si el programa usa un formato de almacenamiento estándar, la información que genere se
pude acceder desde una nueva versión u otro programa que use el mismo formato, incluso
en un programa desarrollado por el usuario.
Como desventaja, se encuentra la falta de aplicaciones para necesidades específicas
o que las existentes no sean tan confiables y completas como las aplicaciones de
propietario. Por otra parte, únicamente cuentan con un buen soporte los proyectos más
importantes y de propósito general. La curva de aprendizaje de las aplicaciones de software
1 Introducción
7
libre es mayor debido a la falta de bibliografía y de publicaciones acerca de su uso, en
comparación con las publicaciones ampliamente difundidas que documentan y facilitan el
uso de las tecnologías de compañías con software propietario. Los planes de estudio de la
mayoría de las universidades de México tienen un marcado enfoque al uso de herramientas
propietarias, las compañías fabricantes ofrecen a las universidades planes educativos de
descuento muy atractivos.
En [CGT06] se puede encontrar una comparación exhaustiva entre el software libre
y el software propietario así como cuestiones legislativas del uso de ambos.
1.7 Objetivos
1.7.1 Objetivo general
Automatizar la planta piloto de destilación ElettronicaVeneta™ con que cuenta actualmente
el cenidet, diseñando e implementando una plataforma flexible en la que puedan aplicarse
diferentes esquemas de control.
1.7.2 Objetivos específicos
• Diseñar y construir el sistema de acondicionamiento de señales necesario para la
adquisición de datos y el control de los actuadores de la planta
• Configurar un sistema de control asistido por computadora, adaptándolo para
programar diferentes esquemas de control aplicables a la columna de destilación
• Diseñar y programar una interfaz grafica de monitoreo y control
• Elaborar la documentación necesaria para que terceros modifiquen o cambien el
sistema de automatización de la planta
• Elaborar una manual de usuario
• Validar el esquema de control PID del controlador actual contra el desarrollado
Automatización de una columna de destilación
8
1.8 Especificaciones de diseño
1. La interfaz electrónica estará conformada por módulos que puedan ser utilizados
independientemente
2. Se realizará el acondicionamiento de señales de los sensores existentes
3. Se generarán señales de control para manipular los actuadores existentes
4. El sistema se caracterizará por su flexibilidad para agregar indicadores de
temperaturas o sensores adicionales
5. El sistema permitirá manipular actuadores de señales analógicas de corriente y de
tipo digital
6. Igualmente será posible agregar más actuadores o equipo con señal tipo digital
7. El diseño de un control PID permitirá corroborar que la interfaz es operable y que
funciona correctamente
1.9 Especificaciones funcionales
• Se podrá seleccionar en ventanas independientes las variables que se deseen
visualizar
• Un controlador PID es incluido como predefinido en la interfaz
• El control de la planta puede realizarse de forma manual o automáticamente usando
el controlador PID incluido en la interfaz o usando un controlador que se haya
diseñado en un CACSD.
1.10 Metodología de solución
Como primer esfuerzo para mejorar la columna de destilación, es importante comprender el
funcionamiento del proceso, por lo tanto la primera etapa de este trabajo consistió en una
revisión bibliográfica sobre la destilación. Una etapa subsecuente fue la búsqueda de
software libre que se adecuara a los propósitos del proyecto.
Es importante hacer un listado de la instrumentación con que se cuenta en la
columna, cantidad de sensores y actuadores, su tipo de señal empleada y/o
acondicionamiento requerido. Es necesario planear los requerimientos de software, que
1 Introducción
9
incluyen desde el enlace de la tarjeta de adquisición, hasta el enlace y comunicación entre
distintos programas requeridos y la forma de integrarlos en el diseño de una interfaz de
usuario amigable.
Para realizar el diseño de hardware entre los instrumentos de la columna y la
computadora personal, es necesario tener presente la cantidad y tipo de entradas y salidas
con que cuenta la tarjeta de adquisición de datos. Es importante analizar posibles
alternativas de diseño por ejemplo, la necesidad de seleccionar señales que requieran ser
multiplexadas, la cantidad de módulos o secciones en las que la interfaz estará constituida,
los elementos necesarios para acondicionar las señales y la cantidad de señales requeridas
para el manejo de los elementos analógicos y digitales.
Cuando ya se tiene el diseño apropiado, la siguiente acción consiste en buscar y
comprar componentes para probar su funcionamiento. En una primera fase se realizan
pruebas en proto-board, incluyendo algún elemento de instrumentación real, como los
encontrados en los bancos de pruebas del laboratorio de electrónica. Al concluir con las
pruebas, se diseñan las pistas de los circuitos impresos y se fabrican. Cuando cada impreso
está listo se trata en lo posible de ir probando parcialmente el correcto funcionamiento de
los distintos elementos mientras se realiza el montaje.
Cuando el sistema operativo es funcional en tiempo real, se requiere programar las
rutinas de los diversos módulos que servirán para capturar información y generar señales.
De igual forma se requiere introducir una serie de señales por los puertos de la tarjeta de
adquisición para revisar su correcto enlace con la interfaz grafica que se construye.
Al llegar al punto de haber probado la interfaz del software, conectada con la
interfaz de hardware, y después de haber realizado pruebas en los bancos de regulación en
el laboratorio de electrónica, es necesario trasladar todos los elementos al lugar donde se
encuentra la columna de destilación para realizar las pruebas de operación sobre el equipo.
Para validar la nueva interfaz, se propone realizar experimentos con la columna y
capturar las variables que indican el desempeño del equipo (temperatura, flujo de
enfriamiento). Los experimentos deberán implementarse usando la interfaz original y
siguiendo el mismo procedimiento usando la nueva interfaz.
Automatización de una columna de destilación
10
1.11 Aportaciones del trabajo
Con este proyecto se pretende apoyar fundamentalmente a los diferentes grupos del cenidet
interesados en desarrollar temas de investigación que tengan implementación práctica en la
columna de destilación, así como contribuir concretamente en el área de control de
procesos aprovechando la infraestructura con que ya cuenta la institución.
Al terminar el trabajo de tesis, la columna de destilación contará con:
• Un sistema de control flexible y programable.
• Un sistema de acondicionamiento de señales de los sensores actuales.
• Las funciones necesarias para adquirir las señales proporcionadas por los sensores
de la columna.
• Las funciones y el hardware necesario para la manipulación de los actuadores.
• Capacidad para agregar nuevos sensores y actuadores.
• Una interfaz gráfica que muestre el estado de las variables del proceso de
destilación y que permita al usuario invocar las funciones de manipulación de los
actuadores.
• Un manual de usuario que describa el uso de la interfaz gráfica.
• Un manual de implementación que describa el diseño de los módulos que
conforman la plataforma elaborada.
1.12 Organización del documento
La tesis está conformada por nueve capítulos que a continuación se describen:
En el capitulo 1 se abordan los antecedentes, el planteamiento del problema, la
propuesta de solución y la metodología a seguir.
En el capítulo 2 se describe el proceso de destilación, los principios básicos sobre
columnas de destilación y las características de la columna de destilación de cenidet sobre
la cual se monta el proyecto.
El capitulo 3 proporciona los conceptos básicos de automatización, de sistemas de
control por computadora y de sistemas de control en tiempo real. Se describe el plan para
automatizar la PPD y las características de la tarjeta de adquisición de datos utilizada.
1 Introducción
11
En el capítulo 4 se describe la organización y funcionalidad de los módulos y
componentes que conforman la interfaz electrónica.
El capítulo 5 presenta el diseño y la programación de la interfaz de usuario, sus
características y funcionamiento.
El capítulo 6 describe los paquetes de software necesarios para tener un sistema de
control asistido por computadora para la PPD.
En el capítulo 7 se explica la puesta en marcha del equipo con la interfaz de usuario
y el CACSD configurado. Se presenta una introducción a los controladores PID digitales y
se realizan la calibración y pruebas en la instrumentación.
En el capítulo 8 se presentan los resultados de las pruebas experimentales que se
realizaron para comparar el funcionamiento de la columna con los controladores originales
y con el sistema desarrollado.
El desarrollo del documento de tesis culmina en el capítulo 9, en donde se presentan
las conclusiones del proyecto, se describen las ventajas y desventajas encontradas con la
nueva interfaz en comparación con la actual, y se hacen algunas recomendaciones para
futuros desarrollos.
2 Planta piloto de destilación
2.1 Introducción
La destilación es un proceso que separa los componentes de una mezcla con base en sus
diferentes puntos de ebullición. Las aplicaciones de la destilación van desde productos
petroquímicos hasta la separación del aire en nitrógeno y oxigeno [SF98]. El equipo
utilizado para éste propósito se le denomina columna de destilación, ver Figura 2-1.
Entre las ventajas más importantes de las columnas de destilación binarias están las
siguientes: su funcionamiento es simple, requieren una baja inversión inicial en relación a
otros procesos de separación como la absorción, sublimación, filtrado, evaporación o en
ocasiones la extracción, se considera un proceso de bajo riesgo. En componentes con
volatilidad relativa de 1.2 ó más, el proceso de destilación resulta difícil de vencer ante los
métodos de separación antes mencionados.
Como desventajas se mencionan las siguientes: el proceso de destilación tiene una
baja eficiencia energética y requiere estabilidad térmica de los componentes en sus puntos
de ebullición. No es eficiente tratar de separar componentes con alto punto de ebullición
que estén presentes con bajas concentraciones en portadores de gran volumen.[HK97]
2.1.1 Breve descripción de la operación de la columna de
destilación
Enfocados en la planta piloto de cenidet, a continuación se presenta una breve descripción
del proceso. La planta de destilación (ver Figura 2-1) consta básicamente de una columna,
un rehervidor con resistencia eléctrica en la parte inferior, una bomba de vacío, una bomba
que alimenta la mezcla, un condensador en la parte superior y una válvula de donde se
extrae el producto destilado.
Automatiza
Pa
calentar,
cuando e
destilado
alimentac
con la fin
2.2 Co
Por los p
estos plat
conducto
ación de una co
arte de la m
cuando la m
estén present
en forma
ción se agreg
nalidad de m
onceptos
latos de la c
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olumna de dest
Fig
mezcla se ca
mezcla se h
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s básicos
columna fluy
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la fase liqui
tilación
gura 2-1 Colu
arga en la ca
haya evapor
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mientras e
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tro un flujo c
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ximizar el c
ida baja y p
14
umna de destil
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mezcla liqui
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tada (con otr
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el vapor y e
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condensand
se comienza
ón con la
a) dentro de
el líquido de
es. El plato c
donde el fluj
y se pone a
do (es decir
a a tomar el
bomba de
la columna
e la mezcla,
contiene un
jo de vapor
2 Planta piloto de destilación
15
sube (Figura 2-1), este flujo a contra corriente permite un contacto intimo entre la fase
liquida y la de vapor.
La concentración del componente más volátil se incrementa en el vapor con cada
plato que sube y de forma similar, la concentración del componente menos volátil se
incrementa en cada plato mientras se desciende en la columna. El vapor en la parte superior
de la columna es condensado para obtener el producto destilado, parte del destilado se
extrae de la columna (D), mientras que otra parte se regresa a la columna desde la parte
superior como reflujo (Lo), con el fin de mejorar el desempeño del proceso. La relación de
reflujo (R) se define como la relación entre el flujo de reflujo (Lo) y el flujo de producto
destilado (D) que se substrae de la columna. El líquido que sale de la parte inferior de la
columna entra a un hervidor donde es parcialmente vaporizado. El vapor del hervidor se
envía nuevamente al plato inferior de la columna y la parte liquida del hervidor sale de la
columna como producto inferior (B).
En lo que resta de la sección 2.2 se dan a conocer conceptos y leyes fundamentales
necesarias para modelar el proceso de destilación. La información está enfocada a procesos
con mezclas binarias con comportamiento ideal. Recordando que la finalidad del proyecto
no consiste en un detallado análisis del proceso de destilación en las columnas, se presenta
sólo la información que se considera relevante para comprender lo que ocurre durante el
proceso de destilado y la idea general de cómo se calcula la concentración final del
componente separado.
Para obtener información más detallada respecto a teoría sobre el proceso de
destilación se recomiendan las referencias [HK97], [SF98] y [EV98].
2.2.1 Equilibrio de fases aplicado a la destilación binaria de
mezclas ideales
En el siguiente apartado se presentan conceptos básicos que rigen las relaciones entre las
composiciones de una mezcla, y ecuaciones necesarias para comprender el equilibrio de
fases del sistema, indispensable para el cálculo de las concentraciones presentes dentro de
la columna de destilación.
Automatización de una columna de destilación
16
2.2.1.1 Relación de equilibrio
En equilibrio, la concentración de cualquier componente presente en la mezcla en fase
liquida se relaciona con su concentración en la mezcla en fase vapor por la relación o
constante de equilibrio K.
ii
i
yKx
=
Donde:
iK = constante de equilibrio
iy = fracción molar del componente i en la fase vapor
ix = fracción molar del componente i en la fase liquida
El componente más volátil en una mezcla es el que tendrá un valor iK mayor.
2.2.1.2 Volatilidad relativa
Este concepto es muy importante en el proceso de destilación, es la relación de la clase de
equilibrio en los componentes de las mezclas. Conforme el valor de la volatilidad relativa
se incrementa, mayor es la facilidad para separar los componentes por destilación. Ésta se
define como:
iij
j
KK
α =
Donde:
ijα = volatilidad relativa (componente i relativo al componente j)
2.2.1.3 Leyes que dictan el comportamiento de sistemas ideales
En un sistema ideal la ley de Dalton relaciona la concentración de un componente presente
en una mezcla ideal de gas o vapor con su presión parcial.
i ip Py= Donde:
ip = es la presión parcial del componente i en la mezcla de vapor
2 Planta piloto de destilación
17
P = presión total
iy = fracción molar del componente i en la fase vapor
La ley de Raoult relaciona la presión parcial de un componente en la fase vapor con
su concentración en la fase liquida de la siguiente forma.
i i ip P x= ° Donde:
ip = es la presión parcial del componente i en la mezcla de vapor
iP° = presión de vapor del componente puro i a la temperatura del sistema
ix = fracción molar del componente i en la fase liquida
Combinando ecuaciones 1.3 y 1.4 se llega a la relación:
iij
j
PP
α °=°
Esta ecuación muestra que para un sistema ideal ijα es independiente de la presión
total y de la composición. La presión de vapor depende de la temperatura. La ecuación de
Antoine es una de las ecuaciones más comunes que definen esta funcionalidad.
ln ii i
i
BP AC T
° = −+
Donde:
iP° = presión de vapor del componente puro i a la temperatura del sistema
, ,i i iA B C = constantes de Antoine (que dependen de las unidades de presión y temperatura)
T = temperatura absoluta, °K
Dado que la presión de vapor del componente depende de la temperatura, los radios
de equilibrio están en función de la temperatura. Debido a que ijα es proporcional a la
relación de presión de vapores, y la presión de vapor se incrementa con la temperatura, ijα
es menos sensible a cambios es la temperatura que las relaciones de equilibrios iK o jK .
Automatización de una columna de destilación
18
Conforme la temperatura se incrementa, la presión de vapor del componente más
volátil tiende a incrementarse a una relación más lenta que la del componente menos
volátil. ijα comúnmente disminuye con el incremento en la temperatura y aumenta con el
decremento de ésta. De acuerdo con la ley de Raoult, para un sistema binario, la volatilidad
relativa de dos componentes (i y j) está dado por:
(1 )(1 )
i i iij
j i i
K y xK x y
α −= =−
Despejando iy
1 ( 1)
ij ii
ij i
xy
xαα
=+ −
Esta ecuación expresa la concentración de un componente en el vapor como una
función de su concentración en el líquido y su volatilidad relativa. En la Figura 2-2 se
muestra el efecto de la volatilidad relativa, se observa que conforme la volatilidad relativa
se incrementa, la concentración del componente más volátil en el vapor se incrementa para
una composición molar en el líquido fija.
Frac
ción
mol
ar e
n va
por
Fracción molar en líquido
Figura 2-2 Composición de equilibrio líquido/vapor en función de la volatilidad relativa
Es decir, cuando la volatilidad relativa es 5, un líquido que contiene 50% de un
componente más volátil está en equilibrio con un vapor que contiene 83% de éste
componente. Cuando la volatilidad relativa es igual a uno, la concentración del componente
mas volátil en la fase liquida y vapor es la misma, entonces una separación vapor/liquido no
es realizable.
2 Planta piloto de destilación
19
2.2.1.4 Predicción del punto de burbuja y de rocío
El punto de burbuja es la temperatura a la cual se forma la primera burbuja de vapor en un
material líquido. El punto de rocío es la temperatura a la que comienza la condensación del
vapor y se forma la primera gota de líquido. Conocer estos parámetros de la mezcla nos
permite a una presión dada, el construir una curva que relaciona la cantidad de fracciones
molares de ambos componentes en un intervalo de temperatura.
El punto de burbuja o punto de ebullición inicial de una mezcla puede ser calculado
por:
1
1.0n
i ii
K x=
=∑
Donde:
n = número de componentes presentes en la mezcla
El punto de rocío o punto de condensación de una mezcla se calcula considerando:
1
1.0n
i
i i
yK=
=∑
Al realizar estos cálculos se obtiene la gráfica que se muestra a continuación:
Figura 2-3 Diagrama de equilibrio Metanol-Etanol
Automatización de una columna de destilación
20
2.2.2 Modelado de columnas de destilación binaria
2.2.2.1 Método McCabe-Thiele
Este método se utiliza para análisis en destilaciones binarias. Se basa en el hecho de que
cada etapa de equilibrio se determinada por las fracciones molares de uno de los dos
componentes. El método se emplea para encontrar el número de platos requeridos en una
columna para obtener una concentración deseada, y para localizar el plato de alimentación
óptimo.
Realizando un balance de masas, en este método se considera un flujo constante
entre las fases liquidas y de vapor a través de la columna entre la alimentación y el plato
superior y entre la alimentación y el plato inferior de la columna. En la Figura 2-4 se
muestra un esquema de la columna con sus relaciones de flujos.
2 Planta piloto de destilación
21
Figura 2-4 Flujo de vapor y líquido en el proceso de destilación
2.2.2.2 Balances de masa
2.2.2.2.1 Sección de enriquecimiento
La parte de la columna en la parte superior de la alimentación es llamada sección de
rectificación o enriquecimiento, la parte inferior de la sección de alimentación se denomina
sección de empobrecimiento. Un balance general de materia en la columna esta dado por:
F D B= + Donde:
F = flujo de alimentación, mol/tiempo
Automatización de una columna de destilación
22
D = flujo de producto destilado, mol/tiempo
B = flujo de residuo, mol/tiempo
Un balance de materia del componente más volátil esta dado por
F D BFx Dx Bx= + Donde:
Fx = concentración del componente más volátil en alimentación,
fracción de mol
Dx = concentración del componente más volátil en el producto superior,
fracción de mol
Bx = concentración del componente más volátil en el residuo, fracción de mol
El vapor en el plato superior tiene una composición 1y . Como el vapor es
condensado, el reflujo ( 0L ) y el destilado deben de tener la misma composición ( 1y = Dx ),
entonces como se asume igual flujo molar entonces 1 2 nL L L= = y 1 2 1n nV V V V += = = .
Haciendo un balance de masa en la sección de rectificación de la columna
1n nV L D+ = + Realizando el balance para el componente más volátil en la sección de rectificación
1 1n n n n DV y L x Dx+ + = + Donde:
1ny + = composición de vapor en la etapa n+1, fracción mol
nx = composición de liquido en la etapa n, fracción mol
Dx = composición de liquido en el producto destilado, fracción mol
Resolviendo la ecuación anterior para 1ny + considerando que 1n nV L D+ = + y
haciendo 1/ /( 1)n nL V R R+ = + la ecuación resulta
2 Planta piloto de destilación
23
1 1 1D
n nxRy x
R R+ = ++ +
Donde R es la relación de reflujo, que esta definida por
0LRD
=
Donde:
R = relación de reflujo
0L = cantidad de reflujo superior hacia la columna
D = cantidad de producto destilado
2.2.2.2.2 Sección de empobrecimiento
Realizando un balance total de materia en esta sección tenemos
1m mV L B+ = − Donde:
1mV + = relación de flujo de vapor de la etapa m+1, mol/tiempo
mL = relación de flujo liquido en la etapa m, mol/tiempo
Realizando el balance para el componente más volátil en la sección de
empobrecimiento
1 1m m m m BV y L x Bx+ + = − Donde:
1my + = concentración del componente más volátil en el vapor de etapa m+1, fracc. mol
mx = concentración del componente más volátil en el liquido en etapa m
Resolviendo para 1my + :
11 1
m Bm m
m m
L Bxy xV V+
+ +
= −
Dado que se asumió igual flujo molar, m nL L ctte= = y 1m nV V ctte+ = =
Automatización de una columna de destilación
24
2.2.3 Variación en la condición térmica de la alimentación
Esta condición se define como la relación entre el número de moles de líquido saturado
producido en el plato de alimentación, y el número de moles de alimentación. En términos
de calor de vaporización esto puede ser expresado como:
calor requerido para vaporizar 1 mol de alimentacioncalor de vaporización de 1 mol del liquido alimentado
q =
Los posibles valores de q para varias condiciones son:
q=1 la alimentación entra como liquido en punto de ebullición
q=0 la alimentación entra como vapor en el punto de rocío
q>1 la alimentación entra como liquido sub enfriado
q<0 la alimentación entra como vapor recalentado
0<q<1 la alimentación entra con parte liquida y parte vapor
De la definición de q, se presentan las siguientes relaciones
m nL L qF= + (1 )n mV V q F= + −
2.2.4 Características de mezcla Metanol-Etanol
La Tabla 2-1 muestra las propiedades de la mezcla con la cual se realizaron las
pruebas.[Tor05]
Tabla 2-1 Características Metanol-Etanol
Especificación Metanol Etanol Unidades
Densidad 0.792 0.789 g/cm3
Temperatura de ebullición 64.7 78.5 °C
Masa molar 32.04 46.07 g/mol
Con
stan
tes
Ant
oine
A 8.0809 7.5867 adimensional
B 1582.2710 1281.5900 adimensional
C 239.7260 193.7680 adimensional
2.3
apa
sus
diag
men
3 Caract
destila
En la fi
artados se in
característic
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Figura 2-5 F
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25
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2 Planta
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Automatización de una columna de destilación
26
2.3.1 Columna
• Columna de destilación de vidrio borosilicato, con 10 platos perforados
• Caldera de cola de la columna con capacidad 6 l
• Resistencia eléctrica de calentamiento con revestimiento en cuarzo, P=2500 W
• Resistencia eléctrica de precalentamiento con revestimiento en cuarzo, P=500 W
• Condensador de cabeza con superficie de intercambio de 0.5 m2
• Depósito de alimentación con capacidad de 15 l, sigla D1
• Depósito graduado de recogida de destilado con capacidad de 1 l, sigla D3
• Intercambiado de calor para enfriamiento del producto destilado, sigla E3
• Depósito de recogida del producto de cola de la columna con capacidad de 4 l, sigla
D2
• Intercambiador de calor tipo tubo-tubo para enfriamiento del producto de cola, sigla
E2
• 12 indicadores electrónicos de temperatura con un rango de medición entre 0 y
199°C
• 2 temporizadores para la regulación de la razón de reflujo y para la regulación de la
toma del destilado
2.3.2 Sensores
• 12 termoresistencias de platino Pt100 dobles
• Medidor electrónico de caudal con un rango de medición entre 100 y 1000 l/h,
equivalente a una señal de salida entre 4 y 20 mA
• Medidor electrónico de nivel con un rango de medición entre 0 y 500 mm H2O,
equivalente a una señal de salida entre 4 y 20 mA
• Medidor electrónico de presión residual con un rango de medición entre 0 y 1000
mbar, equivalente a una señal de salida entre 4 y 20 mA
• Medidor electrónico de presión diferencial con un rango de medición entre 0 y 500
mbar, equivalente a una señal de salida entre 4 y 20 mA
2 Planta piloto de destilación
27
2.3.3 Actuadores
• Electroválvula de regulación de la razón de reflujo y de la toma de destilado, sigla
EV1
• Bomba de alimentación, permite un caudal entre 0 y 14 l/h, equivalente a una señal
entre 4 y 20 mA y con capacidad de regulación manual, sigla G1
• Unidad thyristor de calentamiento de 15 A regulable con una señal entre 4 y 20 mA
proporcional a la potencia de la resistencia J2 (2500 W)
• Unidad thyristor de calentamiento de 15 A regulable con señal entre 4 y 20 mA
proporcional a la potencia de la resistencia J1 (500 W)
• Válvula neumática de regulación de presión residual de la planta con convertidor
electroneumático para señal entre 4 y 20 mA a presión entre 0.2 y 1 bar
proporcionalmente
• Válvula neumática de regulación de la alimentación del agua al condensador de
cabeza con convertidor electroneumático para señal entre 4 y 20 mA a presión entre
0.2 y 1 bar proporcionalmente
• Bomba de vacio
• Electroválvula de interceptación del agua en la bomba de vacío, sigla EV2.
Automatización de una columna de destilación
28
Figura 2-6 Esquema general de la columna de destilación e identificación de sus lazos de control.
2.3.4 Lazos de control
Se tienen para operación del equipo tres lazos de control, indicados en la Figura 2-6:
• Lazo de control #1.- Consiste en mantener un flujo constante de agua en el
intercambiador de calor E1, el actuador es la válvula neumática FV1 y la
retroalimentación se da por el transmisor de caudal FT1.
• Lazo de control #2.- El número dos se encarga de controlar la temperatura a la cual
se introduce la mezcla de alimentación en la columna por medio de la resistencia J1
y el valor de la temperatura se captura desde TT1
• Lazo de control #3.- El número tres consiste en mantener una determinada presión
dentro del equipo mientras está en funcionamiento, el actuador del lazo es la válvula
reguladora de presión PV1 y la señal de retroalimentación la brinda el transmisor
PT1.
2 Planta piloto de destilación
29
2.3.5 Controladores actuales
El controlador industrial Digitric 500 es un controlador compacto utilizado para control de
instrumentación con lazos simples en procesos de pequeña y mediana escala. Es aplicable
universalmente y diseñado para efectuar tareas de control simples o complejas[ABB07].
El equipo trae montados 2 controladores digitric 500 ABB, cada uno con las
siguientes características según información del fabricante[ABB,2007]:
• 1 Entrada universal.- A la cual pueden conectarse directamente, termopares y RTDs
o aceptar señales estándar entre 4 y 20 mA
• 1 Entrada para corriente (mA).- Utilizada comúnmente para ajustar el setpoint desde
algún dispositivo externo o para emplearse como la entrada de realimentación del
lazo de control
• 2 Entradas/salidas binarias.- Se pueden configurar como señales de salida del
controlador o como alarmas o señales de activación del controlador
• 2 Relevadores.- Configurables para activación de actuadores o señales de alarma
• 4 Módulos adicionales para expansión.- Para agregar módulos similares a los
descritos o combinaciones de estos. Actualmente se tienen receptores adicionales de
señales de corriente y acondicionadores de RTDs
• Pantalla frontal digital numérica.- Permite mostrar información del estado de
variables, y realizar ajustes del setpoint y valores de corrección
• Acción controladora PID de 2 puntos
2.4 Estado del arte
En cenidet se han desarrollado trabajos teóricos sobre observadores de la columna de
destilación [Tor05] [Val06]. Entre los trabajos reportados en la literatura, en [RALVL06] se
elaboró un programa para monitorear las variables del proceso de destilación, manipular los
actuadores y modificar los parámetros de sintonía de los controladores Digitric 500. El
programa se desarrolló en LabVIEW™ empleando el protocolo de comunicación
MODBUS entre la PC y los controladores de la columna.
Automatización de una columna de destilación
30
En cuanto a la automatización de columnas de destilación se encuentra la
publicación de [Kle93], la cual describe un trabajo semejante al propuesto en este tema de
tesis. En éste se combinan módulos para acondicionamiento de señales, tareas de
monitoreo, una interfaz gráfica de usuario, adquisición de datos y comunicación con
actuadores externos para controlar temperatura y presión de una columna de destilación.
Para la programación se emplea el lenguaje C++ y una PC 386.
En [BL03] se construye un sensor por software basado en redes neuronales como
una alternativa a sensores físicos en una columna de destilación. Estos sensores permiten
estimar variables de importancia que son difíciles de medir debido a la limitación de
tiempo, alto costo, dificultad de acceso y confiabilidad. Desarrollos como el expuesto en
este trabajo podrán realizarse al contar con la posibilidad de elaborar sistemas de control
por software.
Otros trabajos sobre control de columnas de destilación son: [EE96] que describe la
importancia en el uso de un sistema experto para el diagnostico de fallas en una columna de
destilación, [BC94] que emplea la habilidad de las redes neuronales para modelar funciones
no lineales arbitrarias para el control adaptable de una columna de destilación y [LM90]
que realiza la selección de una estructura de control robusto aplicado al control de una
columna de destilación empleando una mezcla ideal binaria. Trabajos de investigación
como los descritos necesitan una plataforma flexible de automatización que permita aplicar
dichas técnicas de control.
Como puede apreciarse, el estado del arte en columnas de destilación se presenta
por el lado de la teoría de control aplicada. Como se menciona en la sección 1.5, existen
algunos trabajos realizados con herramientas de software libre aplicados a control de
procesos, pero no se encontraron referencias de aplicación a un equipo similar al planteado.
3 Conceptos básicos de automatización Este capítulo aborda los conceptos fundamentales de la automatización desde el punto de
vista de la mecatrónica. También se explica por qué es importante contar con un sistema de
control asistido por computadora con capacidades de procesamiento en tiempo real. Por
otro lado, se resumen los diferentes elementos de automatización estudiados para
implementar la automatización de la PPD. Posteriormente se mencionan los recursos con
que se cuenta para llevar a cabo la automatización y los requerimientos que se deben
cumplir. En la parte final del capítulo se presenta el diseño del proceso de automatización
que reúne los temas descritos.
3.1 Automatización
La automatización es la tecnología que hace uso de aplicaciones mecánicas, electrónicas y
computacionales para operar y controlar maquinas y procesos industriales, siendo un área
en la que confluyen diferentes disciplinas para la solución de problemas. El conocimiento
de esta disciplina es fundamental ya que conjuga en una sola aplicación de ingeniería partes
de las áreas principales que componen la ideología mecatrónica. Un sistema de
automatización con componentes mecánicos, electrónicos y programas de computadoras es
un típico sistema mecatrónico.
La automatización vista como disciplina de la ingeniería puede considerarse un
campo amplio que abarca la instrumentación industrial, los sistemas de control y
supervisión, control por computadora, autómatas programables, robótica, sistemas de
transmisión y recolección de datos, mecanismos, y aplicaciones de software en tiempo real
para supervisar y controlar las operaciones de plantas y procesos industriales.
3.1.1 Propósitos de la automatización
En cualquier automatización se persigue delegar en las máquinas la realización del trabajo
de tal forma que éste sea llevado a cabo con la mínima intervención humana. Originalmente
fue concebida para reducir los costos y aumentar los índices de producción, sin embargo en
Automatización de una columna de destilación
32
algunos sistemas complejos de automatización, los costos de adquisición y la necesidad de
personal calificado para su mantenimiento hacen que los ahorros estimados no sean tan
grandes como se esperaba inicialmente. Aún así hay muchas ventajas al automatizar los
procesos, el alcance va más allá de la simple mecanización de los procesos, que
proporcione a operadores humanos asistencia en el esfuerzo físico y mental del trabajo.
Algunas ventajas son: repetitividad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia,
integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de
trabajo.
Un proceso manual requiere de un operador durante todo el tiempo en que se
encuentre en funcionamiento y su estabilidad depende de la habilidad y velocidad del
operador. Un proceso automatizado, únicamente requiere la intervención de un operador
durante la puesta en marcha y al final, para detener el proceso y recopilar información. Su
estabilidad depende de la velocidad y precisión de la computadora y los dispositivos
electrónicos.
3.1.2 Proceso de implementación de un sistema de
automatización industrial
El proceso de automatización consiste en diseñar sistemas capaces de ejecutar tareas
repetitivas y controlar operaciones con la intervención mínima de un operador. Su
implementación requiere la colocación de instrumentación, indicadores, controladores y
sistemas de comunicación que enlacen cada uno de los elementos que conforman el sistema
de automatización.
La primera pieza de hardware en cualquier sistema de control de procesos es el
dispositivo que captura las variables de interés, el cual proporciona información importante
para tomar la decisión de cómo ajustar el proceso de tal forma que el producto final tenga
las características deseadas. Estas mediciones son realizadas por elementos denominados
sensores, los cuales miden la variable deseada y convierte la información desde un tipo de
señal a otro de ser necesario.
3 Conceptos básicos de automatización
33
Quien se encarga de tomar las decisiones y correcciones necesarias sobre el proceso
es denominado controlador. Éste proporciona el comando hacia los actuadores, elementos
que influyen físicamente sobre el comportamiento del sistema.
Existen en el mercado una gran variedad de elementos y técnicas para sensar las
variables deseadas y de igual forma una diversidad de actuadores para influir sobre el
proceso. La mayoría de estos elementos para uso industrial utilizan señales de corriente de
4 a 20 mA.
3.2 Sistemas de control digital directo
El término control digital directo se emplea cuando una computadora está en lazo de
retroalimentación en un sistema de control e implementa la ley de control. Todas las
señales que procesa un controlador digital son señales digitales, por lo que requiere de
convertidores de señales analógicas a digitales en sus entradas y convertidores de digital a
analógico en sus salidas. La planta recibe y proporciona señales analógicas medibles por un
sensor. La señal analógica generada por el sensor se envía a un convertidor A/D y éste
genera una señal digital manejable por el controlador digital. El controlador determina la
señal de corrección mediante un algoritmo programado y envía dicha señal a un convertidor
D/A que la convierte en una señal física. La señal analógica controla un elemento de
corrección que altera el estado de alguna variable en la planta. Estas acciones se realizan
cada tiempo determinado.
El control digital proporciona ventajas significativas con respecto al control con
elementos analógicos. En primer lugar proporciona mayor flexibilidad, ya que las leyes de
control se implementan mediante software y el algoritmo de control puede modificarse por
completo alterando el programa sin necesidad de cambiar o agregar hardware. En segundo
lugar elimina las restricciones de los controladores analógicos tales como imprecisiones de
los dispositivos y límites en la realización de operaciones matemáticas. También permite
manejar ecuaciones no lineales que involucren cálculos complicados y operaciones lógicas,
lo que se traduce en una amplia variedad de leyes de control que se pueden implementar. Al
emplear una computadora es factible llevar un registro en disco de todo el proceso y
transmitir información a grandes distancias.
Automatización de una columna de destilación
34
Los lazos de control en plantas controladas por computadora se pueden manipular
mediante controladores PID ya que generalmente dan soluciones satisfactorias a muchos
problemas industriales. Prácticamente todos los controladores PID actuales están
implementados en microprocesadores [AH01].
3.3 Sistemas de control en tiempo real
Un sistema de tiempo real debe responder a eventos o ejecutar actividades periódicas
dentro de un intervalo de tiempo específico, finito y breve. Debe ofrecer una medida de
tiempos, ejecución periódica de tareas, ser predecible y proporcionar una planificación de
procesos con prioridades fijas y de desalojo. Si forma parte de un sistema más amplio, tal
como un sistema de control, se le llama sistema integrado (Figura 3-1).
Figura 3-1. Sistema de tiempo real integrado en un sistema de control
Dos características importantes de un sistema de tiempo real son la latencia
(latency) que es el tiempo que trascurre desde un evento y el inicio de su rutina asignada, y
las fluctuaciones del lapso de tiempo entre iteraciones de un evento periódico (jitter),
ambas características se esquematizan en la Figura 3-2.
Procesamiento de un evento
t
Evento
Latencia
3 Conceptos básicos de automatización
35
t Periodofijo
Periodofijo
Fluctuación en el periodo
Figura 3-2. Definición de latencia y fluctuación en una tarea periódica
Las acciones repetitivas son fundamentales en el control en tiempo discreto, las
fluctuaciones en el periodo de muestreo pueden llevar a imprecisiones en el desempeño del
controlador debido a que la posición de polos y ceros en sistemas muestreados depende del
periodo de muestreo. Fluctuaciones menores al 10% del periodo de muestreo agregan ruido
y perturbaciones, desviaciones mayores pueden alterar el comportamiento y desestabilizar
el sistema [AW90].
Un sistema de tiempo real flexible (soft real-time system) emplea periodos de
muestreo del orden de decenas de milisegundos y puede permitir retrasos y fluctuaciones en
sus requerimientos temporales sin afectar al sistema. En automatización de procesos, una
aplicación de supervisión e interacción con el usuario se considera de tiempo real flexible.
Un sistema de tiempo real estricto (hard real-time system) no puede tolerar retrasos o
fluctuaciones en acciones periódicas. Una aplicación de adquisición de datos o de control
de procesos puede requerir un sistema de tiempo real estricto dependiendo del proceso a
controlar.
Una ecuación de control simple de una entrada y una salida generalmente no
requiere una computadora con un sistema operativo complejo. Por otra parte, un sistema de
control digital para plantas grandes y complejas, como las encontradas en la industria
química, requieren un sistema de operativo completo debido a los numerosos lazos de
control individuales que se pueden encontrar y la necesidad de realizar la supervisión del
proceso.
Automatización de una columna de destilación
36
Ejemplos de sistemas operativos en tiempo real son LynXOS, RSX de Digital Equipment
Corporation, VxWorks de Wind River Systems , QNX de QNX Software Systems,
RTLinux y RTAI-Linux.
3.3.1 Linux y la extensión Real time POSIX
Los sistemas operativos convencionales no son adecuados para realizar acciones de control
en tiempo real ya que no tienen un comportamiento temporal determinista y no permiten
garantizar tiempos de respuesta cortos. Un sistema Linux estándar tiene latencia y
fluctuaciones de aproximadamente un milisegundo, suficiente para aplicaciones de control
con periodos de muestreo del orden de centenas de milisegundos y que toleran pérdidas de
información en unos cuantos periodos. Un sistema Linux en tiempo real presenta tiempos
de latencia y fluctuaciones del orden de uno a diez microsegundos y es más confiable para
aplicaciones que requieran procesamiento en tiempo real flexible o estricto.
POSIX (Portable Operating System Interface) es un grupo de estándares,
desarrollado por el IEEE Computer Society, que definen una interfaz para sistemas
operativos con el propósito de mantener la portabilidad a nivel de código fuente de
aplicaciones entre diferentes sistemas operativos basados en UNIX. El estándar POSIX
1003.13 (Real time extension) define un sistema operativo de tiempo real mínimo con
soporte y portabilidad de aplicaciones, especifica los servicios que el sistema operativo
debe proporcionar, así como sus llamadas para el lenguaje C.
3.4 Sistemas de control asistido por computadora
Un sistema de control asistido por computadora (Computer Aided Control System Design,
CACSD) es un entorno de software que facilita el proceso de diseño e implementación de
un sistema de control de manera interactiva con el usuario.
Entre las herramientas que proporciona un CACSD se encuentran: sistemas con
capacidades de ejecución y simulación en tiempo real, simulación de sistemas dinámicos,
paquetes numéricos, computación simbólica, procesamiento y almacenamiento de datos y
capacidades gráficas para monitorear e interactuar con el proceso a controlar. En conjunto
3 Conceptos básicos de automatización
37
estas herramientas proporcionan un entorno para diseñar, modelar, simular y programar
sistemas de control, y finalmente, realizar experimentos en tiempo real.
3.5 Automatización de la columna de destilación
Para automatizar la columna de destilación se optó por emplear una computadora personal
con un sistema operativo de propósito general como elemento de control. El emplear un
sistema operativo de propósito general completo pone a disposición toda su funcionalidad
(funciones de red, comunicación entre procesos, administración de almacenamiento, control
de usuarios, lenguajes de programación) y una gran diversidad de aplicaciones (análisis de
datos, generadores de reportes y bases de datos entre otras). La abstracción del hardware
permite al diseñador implementar algoritmos de control en lenguajes estándar de alto nivel
(por ejemplo: en lenguaje C) en una computadora personal, de ésta forma, se pueden
encontrar fácilmente herramientas de desarrollo potentes y programadores que las dominan.
Gracias a la plataforma PC, el sistema de automatización puede ser modificado,
actualizado, reconfigurando o reemplazado para adaptarlo a las nuevas necesidades,
permitiendo una rápida incorporación de nuevas tecnologías. Además, el uso de una
computadora permite realizar instrumentación virtual mediante la implementación de
observadores para medir señales que no son tomadas por sensores físicos, o para construir
indicadores “personalizados” con la funcionalidad e interfaz gráfica que uno desee.
3.5.1 Recursos
Para la automatización de la PPD se cuenta con los siguientes recursos:
• Computadora personal de propósito general: Esta PC cuenta con un procesador
Intel™ Pentium™ IV a 2.0 GHz y 256 MB en RAM.
• Tarjeta de adquisición de datos: Se tiene una DAQ modelo NI-623E de gama baja
y organización centralizada. Este modelo cuenta con 16 entradas analógicas (u 8 en
modo diferencial) con rangos programables de -5 a 5 V y de -10 a 10V, un ADC de
12 bits y 8 líneas digitales configurables como entradas o salidas. La tarjeta se
conecta a la PC por medio de una ranura PCI.
Automatización de una columna de destilación
38
• Software: Como se mencionó en la sección 1.3, en la parte software del sistema de
automatización se tienen paquetes de software libre que satisfacen las necesidades
del proyecto. Se cuenta con un sistema operativo GNU/Linux; un conjunto
completo de herramientas para el desarrollo de aplicaciones entre las que se
incluyen KDevelop, GCC, librerías gráficas GTK, y librerías para aplicaciones en
tiempo real; y un CACSD formado por Scilab/Scicos y RTAI. Aunque no se cuenta
con un software específico de automatización tal como LabView, la integración de
las herramientas mencionadas satisface esta necesidad.
3.5.2 Requerimientos
Además de los requerimientos mencionados en la sección 1.8 y 1.9 se tienen las
limitaciones originadas por los recursos con que se cuenta. Una limitación de la DAQ es
que las funciones que proporciona el fabricante no son re-entrantes, por lo que únicamente
puede haber una tarea que haga uso de ellas. Por lo tanto para eliminar la restricción
mencionada se requiere de una aplicación que, mediante un sistema de comunicación entre
procesos, permita a varias aplicaciones interactuar con la DAQ.
Se requiere también una interfaz de usuario que permita supervisar el estado de la
PPD y, alternativamente, proporcione el control de todos o algunos de los lazos de control
de la planta.
Teniendo presente la necesidad de implementar diferentes aplicaciones de control
para la PPD y con el objetivo de facilitar esta tarea, se requiere instalar y adaptar un
CACSD.
3.5.3 Diseño
La automatización se dividió en interfaces de diferentes niveles para simplificar su
análisis, diseño, implementación y modificación, permitiendo considerarlas como piezas
que interactúan entre si en lugar de una unidad enorme y compleja. Cada nueva
funcionalidad se puede agregar a la interfaz correspondiente sin afectar a las demás. Ningún
detalle de una interfaz se requiere excepto su definición, de esta forma es posible
3 Conceptos básicos de automatización
39
implementar nuevas aplicaciones de control sin necesidad de conocer la circuitería
electrónica o la programación de la tarjeta de adquisición de datos. Cada interfaz encapsula
una parte definida y reutilizable del proyecto.
La interfaz electrónica se ocupa de las conexiones físicas y electrónicas de la
computadora hacia la PPD. Especifica la disposición de las conexiones y terminales, realiza
el acondicionamiento de señales de la PPD a la tarjeta de adquisición de datos y transforma
señales digitales a señales de control de entre 4 a 20 mA.
La interfaz de enlace es la interfaz de software de más bajo nivel y su función es
facilitar la interacción entre las aplicaciones de control y la PPD. Se ocupa del acceso a la
tarjeta de adquisición de datos permitiendo que otras aplicaciones invoquen funcionalidades
concretas de la interfaz electrónica. Esta interfaz no requiere de tiempo real estricto, por lo
que se emplearán los servicios de tiempo real flexible proporcionadas por el estándar
POSIX.
La interfaz de usuario consiste en una aplicación gráfica que permite al usuario
supervisar e interactuar con el proceso de destilación. Además deberá registrar el estado del
proceso en un formato accesible usando una aplicación de hoja de cálculo para realizar
análisis, gráficas y reportes del desempeño del proceso. Esta aplicación no requiere de
tiempo real estricto y se emplearán los servicios de tiempo real flexible proporcionados por
el estándar POSIX.
La interfaz con Scilab/Scicos permite implementar en Scilab/Scicos nuevas
aplicaciones y esquemas de control para la PPD empleando un lenguaje gráfico. Las
aplicaciones desarrolladas en ésta interfaz emplearán tiempo real flexible durante el
desarrollo de prototipos y las características de tiempo real estricto proporcionadas por
RTAI para las aplicaciones compiladas. La interrelación entre las diferentes interfaces se
muestra en la Figura 3-3
La organización jerárquica permite un grado de abstracción mayor conforme se
emplea una interfaz superior, y un mayor control si se emplean interfaces inferiores. Un
usuario puede decidir a partir de qué interfaz desarrollar su aplicación de acuerdo a sus
necesidades. Por ejemplo, si se desea una aplicación de arranque, control y paro del proceso
en un lenguaje interpretado, se puede partir de la interfaz de enlace para el desarrollo. De
Automatización de una columna de destilación
40
manera semejante, si se desea emplear una solución de control en un sistema operativo
diferente y con otras herramientas de programación se pude aprovechar la interfaz
electrónica y la DAQ.
Cada interfaz a la vez tiene una configuración modular. Cada módulo se trata como
una unidad independiente, lo que permite en caso de falla que ésta se pueda corregir, o que
el módulo que origine el error pueda ser reemplazado, evitando así el efecto de propagación
de fallas.
Figura 3-3 Niveles e interrelación de las interfases de automatización
PPD
Interfaz electrónica
Interfaz de enlace
DAQ
Comunicación por FIFOs
Interfaz con Scicos
Interfaz de usuario
Aplicaciones de usuario
Aplicaciones de usuario
Aplicaciones de usuario
3 Conceptos básicos de automatización
41
Cabe señalar que para el desarrollo de las aplicaciones se sigue el estándar de
programación GNU [Sta06] cuyo propósito es servir de guía para escribir programas
portables a nivel de código fuente, fáciles de mantener por terceros, y fáciles de instalar al
ser consistentes con las herramientas de desarrollo e instalación de GNU. Dicho estándar
recomienda el lenguaje de programación C, así como las librerías GTK para desarrollar
interfaces gráficas entre otras librerías estándar y portables a múltiples sistemas operativos.
En los siguientes capítulos se abordan los detalles de cada una de las interfaces definidas.
4 Interfaz electrónica La interfaz electrónica se ocupa de las conexiones físicas entre la computadora y la PPD.
Aunque se tiene la cantidad exacta de canales analógicos en la tarjeta de adquisición para
poder capturar cada sensor en cada canal, se optó por multiplexar las señales provenientes
de los RTDs, ya que generalmente sus cambios con respecto al tiempo son lentos. De esta
manera se libera espacio para agregar directamente dos RTDs, dos señales entre 4 a 20 mA
y mantener dos canales analógicos de la tarjeta libres para uso general.
Por otra parte, también se planteó la idea de realizar una tarjeta única que se
encargara de toda la interfaz electrónica, esto conlleva la ventaja de facilitar la alimentación
de los componentes en la tarjeta, facilitar su movimiento y conexiones con la planta piloto.
Sin embargo resulta inconveniente si únicamente se desea utilizar una de las partes para
otro proyecto, el riesgo es mayor en caso de algún percance y es más difícil rastrear algún
problema. Es decir, se pensó en una interfaz electrónica diseñada para uso general y no para
uso exclusivo de la columna de destilación.
La opción que se consideró óptima, consiste en desarrollar módulos, a los cuales se
les denominó con letras (de la A a la F). Los módulos se encargan del acondicionamiento y
generación de señales de control. Fueron diseñados con las dimensiones adecuadas para ser
montados en el espacio que ocupan los controladores actuales, apilándolos en grupos de
tres por cada controlador. Sin embargo, esto supone la necesidad de desmontar los
controladores originales con el riesgo que esto conlleva.
Para realizar las pruebas funcionales sobre la columna y la nueva interfaz, se optó
por trabajar sin desmontar los controladores actuales.
Además de los módulos, se diseñaron dos placas con conectores. Una placa
denominada placa-columna sustituye la posición posterior de los controladores actuales con
o sin el desmontaje de estos, de esta forma se aprovechan los conectores originales que van
a los controladores Digitric 500™. La otra placa denominada placa-DAQ se utiliza para
concentrar las señales de los diversos módulos hacia el conector de 68 pines que acompaña
a la tarjeta de adquisición de datos que se instalo en la PC.
Automatización de una columna de destilación
44
Es decir, que los módulos quedan englobados entre dos placas que no contienen
circuitos electrónicos, pero se encargan del envió y recepción de señales entre los módulos
construidos. En la Figura 4-1 se muestra un diagrama general de como se conforma la
interfaz electrónica y como se encuentran enlazados los diversos módulos que la
constituyen.
Figura 4-1 Esquema general de la interfaz electrónica modular
El modulo A envía los valores de seis RTDs y dos sensores hacia el modulo B en
valores entre 4 y 20 mA. El modulo B, el cual realiza el multiplexado de los RTDs de seis
señales a tres, y junto con las otras dos señales recibidas; las convierte a un valor entre -5 y
5 V para conectarlos a la tarjeta de adquisición. Adicional a esto, el modulo A recibe tres
señales digitales que programan el uso de ocho relevadores, cinco contienen funciones
especificas para el control de la planta, mientras que los tres restantes se dejan libres para
funciones auxiliares.
El modulo C recibe tres señales digitales que programan un DAC para controlar
ocho actuadores analógicos y tres canales quedan como auxiliares.
El modulo D y E capturan los sensores restantes de la columna, su función es
idéntica a la de los modulo A-B, pero a diferencia del modulo A, el modulo D solo tiene los
acondicionadores de RTDs.
4 Interfaz electrónica
45
El modulo F contiene los elementos necesarios para acondicionar dos RTDs y dos
señales de entre 4 y 20 mA adicionales.
La placa-DAQ además tiene conectores de tornillo para monitorear dos señales de
voltaje para propósito general y una entrada/salida digital auxiliar.
La desventaja de seccionar la interfaz electrónica en módulos es que se requiere
cablear la alimentación de cada modulo, realizar las conexiones entre éstos, las placas
columna y la DAQ.
Los módulos se alimentan con voltajes de 5, -12, 12 volts de corriente continua. El
voltaje de 5 V lo proporciona la tarjeta de adquisición de datos, a través de conectores de
tornillos montados en la placa-DAQ. En esta misma placa existe un conector de tornillo en
donde se encuentran la tierra digital con la tierra analógica de los módulos, esta tierra de
referencia (ISENS) es tomada por la tarjeta de de adquisición de datos. Para los voltajes de
-12 y 12 V se requiere una fuente externa de alimentación.
Las conexiones entrada/salida entre los diversas módulos, la placa-columna y la
placa-DAQ, se realizan con cable plano y conectores IDE (Integrated Drive Electronics),
con excepción de los relevadores del modulo A que se conectan con la placa-columna
mediante terminales de tornillo.
Las placas de los circuitos son realizadas a doble cara debido a la alta densidad de
conexiones y vías presentes. La alimentación de cada modulo es independiente y se realiza
por medio de terminales de tornillo, aunque esto presupone la necesidad de cablear la
alimentación de cada modulo. Esta configuración tiene la ventaja de que cada modulo
puede ser utilizado de forma independiente para alguna otra aplicación, proyecto o prueba.
Existen en el mercado diversos métodos para realizar los circuitos impresos a
pequeña escala o para prototipos. Inicialmente se probó imprimiendo en material termo
sensible para transferir el grabado a la placa de cobre por medio de calor, este método
arrojo buen resultado pero solo en diseños muy pequeños. El proceso por material
fotosensible es considerado como de excelente acabado pero el material utilizado es difícil
de conseguir y tiene un costo elevado. Hacer el dibujo en forma manual es prácticamente
imposible en diseños complejos. La impresión serigráfica utiliza tintas resistentes al
Automatiza
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4 Interfaz electrónica
49
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KA4
• Conector 6 .- Control encendido/apagado de la resistencia de precalentamiento de la
mezcla (J1) y de la bomba de vacio (G2)
4.2 Descripción de módulos de la interfaz electrónica
Recordando que parte de la flexibilidad del proyecto consiste en que los componentes
electrónicos puedan utilizase por separado, a continuación de describe la funcionalidad de
cada uno. La Tabla 4-1 resume la función de las placas impresas de la nueva interfaz
electrónica, se indica la cantidad y tipo de entradas localizadas en cada modulo y su
correspondiente clase de salida.
El apéndice A proporciona información de la distribución y numeración de los
componentes en los módulos, así como sus voltajes de alimentación, la descripción de los
conectores de entrada y salida, el diseño de pistas y los esquemas electrónicos.
Tabla 4-1 Descripción de la función de los módulos en la interfaz electrónica
IMPRESO ENTRADA SALIDA
Módulo A
3 RTDs 3 RTDs acondicionados2 Sensores 3 Tipo digital(1)
8 4-20 mA 8 Tipo digital (NA)
Módulo B 8 4-20 mA 5 -5 a 5 V(1)
Módulo C 3 Tipo digital(1) 8 4-20 mA
Módulo D 6 RTDs 2 Sensores 8 4-20 mA
Módulo E 8 4-20 mA 5 -5 a 5 V(1)
Módulo F (opcionales) 2 RTDs 2 4-20 mA 4 -5 a 5 V
(1) Comunica directamente con la tarjeta de adquisición de datos.
4.2.1 Módulo A
La columna de destilación contiene 3 acondicionadores de RTDs (TT2, TT3, TT4)
independientes a los controladores Digitric, los cuales serán aprovechados al obtener su
Automatización de una columna de destilación
50
señal normalizada de 4 a 20 mA. En el módulo A se realiza el acondicionamiento de tres
RTDs (TT1, TT5, TT6) por medio de los circuitos integrados XTR112.
El XTR112 es un circuito integrado con dos fuentes de corriente de 250μA para
excitación de RTDs, un amplificador de instrumentación y circuitería generadora de
corriente en un solo circuito integrado. Además provee una linealización de segundo orden
para los RTDs, obteniendo típicamente mejoras en la linealidad de 40:1[BB]. Éste circuito
fue configurado para generar señales de corriente en el estándar de 4 a 20 mA, que
corresponden al rango de temperatura 0 a 200 ºC.
En el conector de salida se juntan las señales de los tres XTR112 con las
proporcionadas por los tres RTDs que acondiciona la columna y con las señales del
indicador de flujo (FT1) y de presión residual (PT1).
También se encuentran montados en este módulo, ocho relevadores DS1E-5V de
2A a 30V para las salidas digitales de los actuadores. Cinco de éstos se utilizan para control
del equipo y los otros tres se dejan como auxiliares. Se utilizan tres señales digitales para el
control del registro serie-paralelo 74HC595 encargado de la activación de los relevadores.
A la salida de este módulo se tiene un conector IDE (2x7) con ocho señales en
estándar de 4 a 20 mA(TT1 a TT6, FT1 y PT1).
El diagrama de bloques de la Figura 4-5 permite observar la funcionalidad y las
conexiones entre los componentes del módulo A.
4 Interfaz electrónica
51
Figura 4-5 Diagrama a bloques del modulo A
4.2.2 Módulo B
Se encarga de convertir y escalar las señales que van de 4 a 20 mA y que provienen de los
sensores capturados en el módulo A; RTDs (TT1 a TT6), medidor de flujo (FT1) y medidor
de presión residual (PT1), a señales de voltaje entre -5 y 5 V, para ser enviados a la tarjeta
de adquisición de datos, ver Figura 4-6.
La primera operación consiste en tomar las señales provenientes del módulo A en
los circuitos RCV420. Este circuito integrado tiene el propósito de convertir las señales que
van de 4 a 20mA, a señales de voltaje entre 0 y 5 V. La siguiente parte es exclusiva para las
señales de temperatura (TT1 a TT6); consiste en un multiplexor triple de dos canales
(circuito integrado 74HC053). Las tres señales multiplexadas del canal A, B y C son
TT5/TT6, TT1/TT2, TT3/TT4, respectivamente.
Fue necesario multiplexar las señales debido a las limitaciones de canales
analógicos de entrada en la tarjeta de adquisición. Se decidió multiplexar las señales de
temperatura debido a que sus cambios con respecto al tiempo son lentos. Posteriormente,
las señales de temperatura entran en el circuito integrado LT1014, éste contiene cuatro
Automatización de una columna de destilación
52
amplificadores operacionales de precisión, tres de los cuales se utilizan para escalar las
señales provenientes del multiplexor que van de 0 a 5 V hasta señales de -5 a 5V.
Las señales asignadas a los indicadores de flujo y presión no son multiplexadas,
éstas entran en el circuito integrado LT1013, el cual con sus dos amplificadores
operacionales de precisión escalan de igual forma las señales a valores entre -5 y 5 V.
El escalar las señales es necesario para poder aprovechar los 12 bits de resolución en
la tarjeta de adquisición de datos. El conector de salida IDE2x5 lleva las señales a la tarjeta
de adquisición. El selector de canal proviene desde el pin 2 en el conector de salida del
mismo módulo, su señal se envía desde la tarjeta de adquisición de datos.
El diagrama de bloques de la Figura 4-6 muestra la funcionalidad y las conexiones
entre los componentes del módulo B.
Figura 4-6 Diagrama a bloques del modulo B
4.2.3 Módulo C
Este módulo recibe de entrada tres señales digitales desde la tarjeta de adquisición, y
proporciona ocho salidas analógicas de corriente de entre 4 y 20 mA para control de los
actuadores analógicos.
4 Interfaz electrónica
53
La señales digitales programan al convertidor digital analógico de 12 bits AD5628
para generar un valor analógico deseado de voltaje entre 0 y una referencia dada. En este
caso, se fija una referencia de 2 V mediante el circuito integrado AD694. Cada una de sus
salidas va a un AD694, éste se encarga de convertir una señal analógica de voltaje a una
señal analógica de corriente en el estándar 4 a 20 mA. Cinco de estas señales de control
actúan sobre la columna (FV1, PV1, G1, J1, J2), las tres restantes quedan como auxiliares.
En la Figura 4-7 se muestra un diagrama de bloques representando la funcionalidad
y conexión entre los componentes del módulo C.
Figura 4-7 Diagrama a bloques del modulo C
4.2.4 Modulo D
El módulo D realiza el acondicionamiento de los seis RTDs restantes (TT7 a TT12) por
medio de los circuitos integrados XTR112 (ver módulo A) a señales de 4 a 20 mA para el
rango de temperatura de 0 a 200 ºC.
En el conector de salida IDE2x5 se juntan las señales de los seis XTR112
mencionados con las señales de 4 a 20mA del indicador de flujo (LT1) y presión diferencial
(PDT1) que proporciona la columna. A diferencia del módulo A, no hay relevadores y se
tiene un total de seis XTR112 montados en el módulo.
Automatización de una columna de destilación
54
En la Figura 4-8 se muestra un diagrama de bloques representando la funcionalidad
y conexión entre los componentes del módulo D.
Figura 4-8 Diagrama a bloques del modulo D
4.2.5 Módulo E
Está encargado de convertir y escalar las señales de 4 a 20 mA provenientes de los sensores
capturados en el modulo D; RTDs (TT7 a TT12), el medidor de flujo (LT1) y el medidor de
presión diferencial (PDT1); a señales entre -5 y 5 V para enviarse a la tarjeta de adquisición
de datos, ver Figura 4-9.
Su funcionamiento es idéntico al módulo B, es posible hacer un intercambio entre
estos módulos. La primera operación consiste en transformar por medio del circuito
RCV420 cada señal de corriente de 4 a 20 mA a una señal de voltaje entre 0 y 5 V. Tal
como en el módulo B, las señales de temperatura son multiplexadas. Las 3 señales
multiplexadas del canal A, B y C son TT7/TT8, TT9/TT10, TT11/TT12, respectivamente.
En el amplificador operacional LT1014 estas señales son escaladas entre -5 y 5 V. Por
medio del amplificador LT1013 las señales asignadas a los indicadores de nivel y presión
diferencial se escalan entre -5 y 5 V.
El conector de salida IDE2x5 lleva las señales a la tarjeta de adquisición. El selector
de canal proviene desde el pin 2 en el conector de salida del mismo módulo. Esta señal es
4 Interfaz electrónica
55
también compartida por el pin 2 del conector de salida en el módulo B, su señal se
transmite directamente desde la tarjeta de adquisición de datos.
En la Figura 4-9 se muestra un diagrama de bloques representando la funcionalidad
y conexión entre los componentes del módulo E.
Figura 4-9 Diagrama a bloques del modulo E
4.2.6 Módulo F
Este módulo ha sido previsto para posibles aportaciones futuras en la instrumentación de la
columna de destilación. Si bien el módulo A y C contienen señales digitales y analógicas
libres para propósitos de control, no proporcionan una libertad de expansión para
adquisición de información. El modulo F provee acondicionamiento para el monitoreo de
dos RTDs y dos señales en el estándar de 4 a 20 mA adicionales.
El módulo contiene dos XTR112 para excitar los RTDs (Pt100 de 3 hilos), la señal
de salida de estos elementos y la de las dos señales entre 4 y 20mA adicionales que se
deseen, pasan a través de los RCV420 para obtener señales entre 0 y 5 V. Finalmente estas
señales se escalan entre -5 y 5V por medio del amplificador operacional cuádruple de
precisión LT1014, ver Figura 4-10.
Automatización de una columna de destilación
56
Figura 4-10 Diagrama a bloques del modulo F
4.3 Placa-columna
Este elemento se encarga de interferir con todas las conexiones de los controladores
Digitric 500 con el fin de direccionarlos a los módulos (A a D) de la nueva interfaz
electrónica. En la sección 4.1 se describen las señales manejadas por los controladores
REG-1 y REG-2 correspondientes.
En la Figura 4-11 se muestra la placa columna con las posiciones de los conectores
idénticos a los de los Digitric, el controlador Digitric REG-1 posicionado encima del REG-
2. Las ranuras para comunicación RS-484 y de alimentación de los controladores no están
incluidas en esta placa, pero en la Figura 4-11 se encuentran indicados para propósitos de
identificación. En la Figura 4-3 y Figura 4-4 se muestra la funcionalidad de cada pin de los
conectores. En la parte derecha de este impreso se ubican los conectores IDEs que se
enlazan con los módulos desarrollados y las terminales de tornillo que corresponden a los
relevadores en el módulo A. Información mas detallada se encuentra en el apéndice A.
4.4
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Automatización de una columna de destilación
58
módulos A, B, C, E y F, con sus respectivas tierras y las conexiones de tierras analógicas de
los módulos que lo requieren; Todas las tierras se unen al pin ISENS de la tarjeta National
Instruments™. Este pin ISENS (pin 62) se encarga de referenciar las entradas en los
canales analógicos a una tierra o voltaje externo.
La Figura 4-12 muestra la distribución y orientación de los conectores IDEs en el
impreso. Los canales de la tarjeta de adquisición de datos ACH15 y ACH8, son entradas de
voltaje analógico disponibles para expansión, AIGND son sus respectivas referencias a
tierra. Estos dos canales son independientes de las dos señales de RTDs y de las dos señales
4 a 20 mA opcionales que se acondicionan en el módulo F.
Indicados como 5V se encuentran las terminales de tornillo para alimentación de los
módulos que requieren 5VCD. DGND y AIGND son referencias a tierra para los módulos,
tierra digital y analógica respectivamente. El conector de tornillo OPT IO está disponible
para manejarse como entrada o salida digital según se requiera en proyectos futuros.
Figura 4-12 Placa-DAQ
Los elementos mencionados direccionan las señales al conector de 68 pines de la
tarjeta de adquisición. El apéndice A contiene más detalles de la señal que porta cada pin en
la tarjeta.
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AIGND
5V
AIG
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C_MOD_FIDE2x5
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OD
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C_M
OD
_EID
E2x5
ConectorD
AQ
68 pins
C_MOD_BIDE2x5
5 Interfaz de enlace e interfaz de usuario En este capítulo se describen las interfaces de software que permiten interactuar con la
PPD, mencionando sus funciones principales y su diseño e integración en la gestión global
del proceso. Se describe la interacción con la tarjeta de adquisición de datos y la interfaz de
operación de la PPD. Finalmente se presentan los detalles de implementación y los
diagramas de flujo que describen los algoritmos implementados.
5.1 Interfaz de enlace
La interfaz de enlace proporciona un método para interactuar con la interfaz electrónica sin
conocer los detalles de su implementación (por ejemplo no es indispensable conocer el
canal que ocupa cada sensor en la DAQ). Por otra parte, esta interfaz permite que diferentes
procesos accedan a la tarjeta de adquisición de datos simultáneamente, haciendo de esta un
recurso compartido.
La interfaz de enlace se implementa en una aplicación llamada cservidor que consta
de tres módulos principales: el módulo de inicio, el módulo de adquisición y el módulo de
comunicación. Al iniciar la aplicación se ejecuta el módulo de inicio y posteriormente los
dos últimos trabajan simultáneamente.
El módulo de inicio carga los controladores de la DAQ configurando los canales
analógicos para recibir señales entre -5 y 5 V y los canales digitales como salidas.
Posteriormente crea los archivos de comunicación dentro del directorio /tmp. Ya que es un
proceso para aplicaciones de control, adquiere la mayor prioridad disponible en el sistema y
deshabilita las interrupciones que pudieran detener el funcionamiento de la aplicación.
Finalmente configura e inicia la tarea de adquisición de datos y de comunicación.
El módulo de adquisición muestrea periódicamente cada canal de la DAQ y aplica
un filtro de media para disminuir los niveles de ruido presente en la señal. La expresión
implementada para el filtro es 𝑦[𝑘] = ∑ 𝑥[𝑘 − 𝑖]𝑛
Automatización de una columna de destilación
60
Donde el número de muestras n (ventana) se puede especificar como un parámetro
desde la línea de comandos al igual que el periodo de muestreo, por ejemplo, para aplicar el
filtro con una ventana de 50 muestras tomadas cada 0.5 segundos se debe introducir la
orden cservidor –t 0.5 –n 50 para iniciar la aplicación. Los valores predeterminados son t =
0.01 y n= 100.
El módulo de comunicación realiza las operaciones de entrada/salida y da
mantenimiento a los archivos de comunicación. Se cuenta con dos conjuntos de archivos:
de entrada (/tmp/daqFifoX) para recibir instrucciones de otras aplicaciones, y de salida
(/tmp/daqFifoOutX) para enviar la información del proceso a las aplicaciones que lo
requieran. Diferentes archivo evitan que un proceso acapare el canal de comunicación todo
el tiempo y bloquee a otros procesos. De ésta forma, todos los procesos que quieran
comunicarse con la interfaz de enlace tendrán igual prioridad. Un sondeo continuo (polling)
determina si un proceso está enviando una instrucción o está en espera de información.
Cuando encuentra una instrucción la lee y ejecuta el código asociado a dicha instrucción.
Por ejemplo, cuando lee una instrucción de abrir un relevador, ejecuta la rutina que genera
y envía la secuencia de bits para actualizar el registro de los relevadores. De igual forma, si
hay una aplicación en espera de información le envía el estado del proceso. La información
que se transmite se agrupa en una estructura con los campos descritos en la Tabla 5-1. La
definición de dicha estructura, así como la lista de los archivos de comunicación
disponibles se proporcionan en el archivo daqinterfaz.h, el cual deberán incluir las
aplicaciones que deseen usar la interfaz de enlace.
Tabla 5-1 Campos de la estructura empleada para comunicación entre la interfaz de enlace y otras
aplicaciones
Campo Propósito
Instrucción Identifica numéricamente la instrucción a ejecutar.
Canal Identifica numéricamente el actuador o relevador a manipular.
Valor Magnitud de corriente a enviar a un actuador, o valor digital para
cambiar el estado del relevador: 1 abrir, 0 cerrar.
Sensores Lista de voltajes en el canal de la DAQ correspondiente a cada sensor.
5 Interfaz de enlace e interfaz de usuario
61
Actuadores Lista del valor en mA que está recibiendo cada actuador actualmente.
Relevadores Lista del estado de los relevadores: 0 abierto, 1 cerrado.
Para detectar errores de transmisión de datos se emplea el tamaño de la
estructura, se verifica que tanto la instrucción recibida, el número de sensor o actuador a
manipular, y la señal de control tengan valores válidos. Si se detecta un error se muestra un
mensaje descriptivo en pantalla, se ignora la instrucción, se genera un sonido de alarma y se
eliminan los datos del archivo correspondiente, dejándolo listo para la siguiente operación.
La aplicación debe permanecer residente mientras existan aplicaciones que requieran sus
servicios, de lo contrario se pierde la interacción con el proceso. Es por esto que no se
detiene en caso de error y se deshabilitan las interrupciones.
5.2 Interfaz de usuario
La interfaz de usuario está conformada por la aplicación gráfica cpiloto (Figura 5-1) que
registra y presenta información del estado de la PPD y posibilita la interacción amigable a
través de elementos visuales. Funcionalmente, se encarga de recibir datos e instrucciones
del operario y de enviarlos a la interfaz de enlace. En ésta sección se describen brevemente
sus características principales y los detalles sobre su uso se encuentran en el manual de
usuario adjunto en el Anexo B.
Para desarrollar la interfaz de usuario se seleccionaron las librerías gráficas GTK
por ser las recomendadas por el estándar GNU para el desarrollo de aplicaciones gráficas.
Dichas librerías le dan un aspecto consistente con el entorno gráfico GNOME
preseleccionado en la mayoría de las distribuciones de Linux, haciendo la curva de
aprendizaje más fácil para usuarios de este sistema operativo. Por otra parte estas librerías
tienen licencia GNU y se encuentran disponibles para diferentes sistemas operativos,
incluyendo Windows, lo que permite compilar y ejecutar la aplicación en diferentes
plataformas. Sin embargo, los procedimientos que manejan la interfaz gráfica y las
funciones de control se mantienen separados, facilitando el uso de otras librerías gráficas
con una cantidad de código reducida.
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5 Interfaz de enlace e interfaz de usuario
67
los diagramas y su actualización; y el módulo scope.c que implementa un componente
gráfico para generar los diagramas magnitud-tiempo, ya que dentro de las librerías gráficas
GTK no se incluye tal componente.
El módulo fifo.c incluye el archivo daqinterfaz.h para definir las variables y
mensajes necesarios para la comunicarse con la aplicación cservidor. A través de este
módulo se reciben los voltajes de cada canal de la DAQ y se convierten a un valor
correspondiente a la variable medida. El envío de instrucciones para generar señales de
control también se realiza por este módulo.
El módulo registro.c se encarga de generar y actualizar el archivo para llevar un
registro del proceso.
El módulo control.c contiene las rutinas para fijar el periodo de muestreo,
sincronizar las tareas de adquisición de datos, ejecución del algoritmo de control,
actualización de la interfaz de usuario y el registro del proceso, llamando a las funciones de
los módulos correspondientes. Las tareas mencionadas se sincronizan por un reloj en
tiempo real (disponible en POSIX) que genera una señal cada periodo T especificado desde
la interfaz gráfica. Debido al tiempo de conversión A-D, tiempo de cálculo, y tiempo de
conversión de D-A, siempre existe un tiempo de retardo τr desde la señal de reloj y la
generación de la señal de control. Para hacer el retardo despreciable y cumplir que T >> τr,
las acciones de control se realizan con mayor prioridad a las tareas de actualización de la
interfaz gráfica y registro, realizando éstas últimas en el tiempo libre entre cada ciclo y a
una frecuencia igual o inferior a la frecuencia de muestreo. La Figura 5-6 muestra en un
diagrama de flujo la secuencia de las acciones realizadas en cada señal de reloj.
Automatización de una columna de destilación
68
Figura 5-6 Diagrama de flujo de la secuencia de procesos de control y actualización de la interfaz de
usuario
5 Interfaz de enlace e interfaz de usuario
69
En el diagrama de flujo anterior, n es el número de pulsos que se debe esperar para
actualizar los elementos de la interfaz gráfica, por lo que el periodo de muestreo para las
tareas de interfaz y registro es nT. Esta organización es fácil de analizar, fácil de depurar y
falla sólo si el tiempo requerido para llevar a cabo todas las instrucciones es mayor al
periodo de muestreo. Una limitante es que todos los lazos de control emplean el mismo
periodo de muestreo, sin embargo se puede emplear el mismo procedimiento que
disminuye la frecuencia de actualización para usar periodos de muestreo diferentes en cada
lazo.
El controlador PID que se desarrolla en la sección 7.2 se programó en el módulo
controladores.c dentro de una subrutina que realiza el algoritmo del diagrama de flujo de la
Figura 5-7. Se optó por implementar el controlador directamente a partir del diagrama de
bloques para mejorar la legibilidad del código y facilitar su mantenimiento, debido a que el
algoritmo para la realización de estas operaciones no es crucial cuando se emplean
computadoras con procesadores que soportan operaciones de punto flotante [AW90].
Además se emplean variables de tipo doble en todos los cálculos para disminuir los efectos
de precisión y redondeo debidos a la implementación. Por otra parte, para evitar un
transitorio brusco en el proceso por el cambio entre el modo manual y automático, el
controlador ajusta el valor de sus estados integral y derivativo para que su salida sea igual a
señal de control manual. Las operaciones algebraicas que no incluyen la señal de referencia
y la señal de retroalimentación se calculan previamente y la señal de control se envía al
elemento de corrección tan pronto se tenga para reducir el retardo τc.
Automatización de una columna de destilación
70
Figura 5-7 Diagrama de bloques del control de cada lazo
5 Interfaz de enlace e interfaz de usuario
71
El módulo ev1.c implementa el control del ciclo de apertura, así como otras
funciones relacionadas con el uso de EV1. El diagrama de flujo de la Figura 5-8 describe el
algoritmo de temporización del ciclo de apertura y cierre. La variable k lleva el registro de
lo los pulsos que debe esperar antes de abrir o cerrar la válvula, y la variable kx el número
total de pulsos. Los pulsos están en función del tiempo de marcha, tiempo de paro, tiempo
de ejecución y el periodo de muestreo por la expresión:
𝑛 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎𝑇
𝑛 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑗𝑒𝑐𝑢𝑐𝑖ó𝑛𝑇 𝑛 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑟𝑐ℎ𝑎 + 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑜𝑇
Al iniciar el control de EV1 se inicia el ciclo de apertura-cierre con duración de nT
pulsos, abriendo la electroválvula durante los primeros non pulsos y cerrándola durante los
restantes nT – nOn pulsos del ciclo. El ciclo se repite durante el tiempo de ejecución (durante
nx pulsos) o hasta que se detenga manualmente.
Automatización de una columna de destilación
72
Figura 5-8 Diagrama de flujo del control de apertura y cierre de EV1
Debido a la encapsulación de la interfaz de usuario, ésta no requiere modificarse al
cambiar la DAQ o la interfaz electrónica.
Las pruebas y puesta en operación de la interfaz de usuario se discuten a detalle en
el capítulo 7.
6 Sistema de control asistido por computadora para la PPD
El presente capítulo inicia con una descripción de los paquetes de software empleados para
integrar un entorno CACSD para la PPD. Luego se describe el conjunto de bloques
funcionales de Scilab que sirven para interactuar con la PPD, explicando su desarrollo.
Finalmente se concluye con una descripción de los pasos a seguir para construir
aplicaciones para la PPD en tiempo real empleando la interfaz Scilab/Scicos.
6.1 Requerimientos de software
Para permitir al usuario final diseñar e implementar nuevos prototipos o aplicaciones para
la PPD se instaló y adaptó un CACSD. En el mercado y en la comunidad del software libre
existen varios paquetes de CACSD que realizan un amplio rango de cálculos aplicables al
análisis y diseño de sistemas de control. Actualmente, los sistemas operativos en tiempo
real basados en Linux están ganando importancia debido a que Linux es libre y se
distribuye con su código fuente. Las distribuciones de Linux cuentan con herramientas de
desarrollo tales como editores, compiladores, ensambladores, depuradores y un extenso
conjunto de librerías gráficas y de propósito general, proporcionando la base para un
entorno de desarrollo de sistemas de control en tiempo real. Linux es multitarea y soporta
varias llamadas a la interfaz POSIX 1003.13 que proporciona capacidades de
procesamiento en tiempo real flexible.
Además de Linux, los paquetes que conforman el CACSD instalado son:
• Scilab/Scicos: un ambiente CACSD gráfico e interactivo para diseñar y simular
sistemas de control.
• RTAI/RtailLab/Xrtailab: agrega soporte para aplicaciones en tiempo real estricto
al sistema operativo Linux, para la generación automática de código en tiempo real
e interfaz gráfica de usuario.
• NI-DAQmxBase: controladores y API de la tarjeta de adquisición de datos NI
6023E, empleada como interfaz con el hardware externo.
Automatiza
6.2 Sc
Scilab es
Institut N
Particular
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matemáti
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Sc
sistemas
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b. La Figura
n Scicos.
6 Sistema de control asistido por computadora para la PPD
75
6.3 RTAI
RTAI (Real-Time Application Interface) es un proyecto del “Dipartimento di Ingegneria
Aerospaziale del Politecnico di Milano, Italia” que tiene el objetivo de hacer posible el
desarrollo de aplicaciones de control en tiempo real en computadoras personales. El soporte
de procesamiento en tiempo real se agrega al sistema operativo Linux mediante un
microkernel.
Un microkernel proporciona un segundo kernel ubicado entre el kernel estándar y el
hardware de la computadora. Mantiene separadas las tareas en tiempo real de las tareas
normales, administra la ejecución de tareas en tiempo real asignándoles la más alta
prioridad para minimizar su tiempo de respuesta y ejecuta el núcleo estándar de Linux
como una tarea en segundo plano de baja prioridad. El microkernel intercepta las
interrupciones del hardware y asegura que el núcleo estándar no interrumpa ninguna tarea
administrada por él.
RTAI se integra a Linux a través de un parche que se aplica al código fuente del
núcleo y una serie de módulos que aumentan la capacidad del sistema operativo para
soportar aplicaciones en tiempo real. Proporciona una API para facilitar el desarrollo de
aplicaciones de tiempo real en el espacio de usuario o a nivel de módulos del kernel.
Proporciona mecanismos de comunicación entre procesos (IPC) entre las tareas en tiempo
real y los procesos en el espacio de usuario. RTAI permite la comunicación con el kernel
de Linux mediante el uso de FIFOSs y memoria compartida. Proporciona semáforos como
mecanismo de sincronización entre procesos en tiempo real, pero no entre procesos
estándar de Linux.
El paquete de RTAI incluye RTAI-Lab y Xrtailab. El primero comprende un
conjunto de bloques para Scicos y una interfaz con RTAI para compilar diagramas de
bloques y generar automáticamente programas ejecutables en tiempo real desde el entorno
gráfico de Scicos. Xrtailab(ver Figura 6-2), proporciona una interfaz gráfica para
interactuar con aplicaciones en tiempo real permitiendo modificar sus parámetros. Cuenta
con instrumentos virtuales como osciloscopios, indicadores analógicos y digitales que
permiten supervisar visualmente el comportamiento del sistema.
Automatiza
R
sistema L
Lo
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6.4 NI-
El softw
Instrumen
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6 Sistema de control asistido por computadora para la PPD
77
6.5 Interfaz con Scilab/Scicos
Esta interfaz consta de un conjunto de bloques funcionales en Scicos, cada uno representa
un elemento de la instrumentación de PPD. Los bloques realizan tareas de adquisición de
datos y generación de señales de control mediante llamadas a la interfaz de enlace. Cada
bloque tiene asociado un archivo de comunicación para evitar interferir entre ellos y
bloquearse mutuamente.
La interfaz con Scilab/Scicos, junto con RtaiLab, proporciona un entorno interactivo
de desarrollo de aplicaciones de supervisión y control para la PPD. Si se desea
experimentar con un nuevo esquema de control, es más fácil hacerlo con un diagrama de
bloques que en un lenguaje de programación. Una razón más para emplear dicha interfaz es
que el diagrama de bloques es fácil de modificar, alterar o mejorar, simplificando la
implementación de prototipos y permitiendo ver rápidamente los resultados.
La Figura 6-3 muestra los bloques de la interfaz con Scicos agrupados en la paleta-
Columna. Los bloques TT, LT1, FT1 y PT1 adquieren los voltajes en la DAQ, traducen el
voltaje en el valor de la variable medida y proporcionan dicho valor como señal de
retroalimentación. Los bloques TC1, TC2, AG1, PV1 y FV1 reciben una señal de entrada y
envían la instrucción a la interfaz de enlace para generar una señal de 4 a 20 mA para el
actuador que representan. El bloque EV1 abre o cierra la electroválvula de reflujo de
acuerdo a una señal de pulsos que reciba como entrada. Por último, los bloques J1, J2, G1 y
G2 activan los relevadores de encendido/apagado de su respectivo actuador. Otras
funciones como generadores de pulsos, funciones de transferencia e indicadores en tiempo
real se encuentran dentro de la paleta Rtai-Lib.
Automatiza
C
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6 Sistema de control asistido por computadora para la PPD
79
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instruction.chan = EV1;
instruction.value = block->inptr[0][0];
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write(fd, &instruction, sizeof(Instruction));
close(fd);
break;
case 5: /* Cerrar la valvula de reflujo al terminar */
instruction.instruction = DAQ_WRITE_DCHAN;
instruction.chan = EV1;
instruction.value = 0;
fd = open(daqFifo, O_WRONLY);
write(fd, &instruction, sizeof(Instruction));
close(fd);
El bloque EV1 recibe como entrada un valor, genera una instrucción para la interfaz
de enlace y la envía a través del archivo /tmp/daqfifo1. Cada bloque se probó en simulación
y generando aplicaciones ejecutables desde el entorno Scicos para verificar su correcta
compilación y funcionamiento en tiempo real.
Para implementar un sistema de control en Scicos se requiere de iniciar la interfaz
de desarrollo Scilab/Scicos, diseñar y elaborar un diagrama a bloques del sistema de
control, insertando y enlazando los bloques de la interfaz para interactuar con la PPD. Al
enlazar en lugar de programar, se reduce el tiempo de desarrollo y se logran prototipos
aplicables más fácilmente ahorrando trabajo y ganando flexibilidad. Una vez terminado el
diagrama y probado en simulación con resultados satisfactorios, se identifica cada
componente mediante un nombre (por ejemplo: "Punto de ajuste para la temperatura de
alimentación") y se compila empleando la herramienta RTAI-Codegen. Esta herramienta
Automatización de una columna de destilación
80
genera código en C, lo compila y lo enlaza con las librerías de RTAI para generar la
aplicación en tiempo real. La aplicación se ejecuta desde una terminal y se puede visualizar
e interactuar con ella mediante la interfaz gráfica RTAI-Lab. Este proceso se muestra en la
Figura 6-4. Empleando la interfaz con Scicos se pueden generar aplicaciones sin que el
usuario deba enfrentarse a los detalles de programación y electrónica, separando así la
lógica de control y los detalles de implementación del sistema de automatización.
Si lo que se desea es un sistema de control sencillo como prototipo, es posible
ejecutar Scicos en modo simulación y ajustar la escala en tiempo real a uno, sin embargo,
se pierde precisión en el periodo de muestreo y se emplea un tiempo real flexible.
6.6 Controlador PID en Scilab/Scicos
Las metodologías para implementar controladores PID digitales en Scicos son variadas, van
desde la programación de una rutina que implemente el algoritmo PID, el uso de bloques
básicos (suma, ganancias y retardos), hasta el uso de funciones de transferencia. La Figura
6-5 muestra un diagrama a bloques en Scicos para el lazo de control de flujo de agua de
enfriamiento al condensador empleando bloques básicos para implementar el control PID.
La señal de referencia se define en el bloque Step; la señal de retroalimentación, en este
caso el flujo de agua en litros por minuto, se obtiene del bloque FT1 y la señal de control se
envía al actuador a través del bloque FV1. El bloque Scope permite monitorear la señal de
referencia, la señal de retroalimentación y la señal de salida mientras el sistema se
encuentra en ejecución. La señal de control se genera con bloques de sumas, ganancias y
Diagrama de Bloques
RTAI Codegen
Programa ejecutable
XRTAI-Lab
Interfaz de usuario
Figura 6-4 Proceso para crear una aplicación a partir de un diagrama de bloques en Scicos
6 Sistema de control asistido por computadora para la PPD
81
retardos que implementan la ley de control de la Figura 7-6 (con color naranja se indica la
parte proporcional, con verde la parte diferencial, y con azul la parte integral y su
retroalimentación).
Figura 6-5 Diagrama de bloques en Scicos para el control de flujo de agua de enfriamiento
Otra forma de implementar este controlador es por medio de funciones de
transferencia, definiendo la señal de control ( ) ( ) ( ) ( ) ( )U z T z R z S z Y z= − donde T(z) y S(z)
son polinomios en función de la variable z, R(z) y Y(z) representan la señal de referencia y
la señal de retroalimentación respectivamente.
Automatiza
Pa
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6.7 Co
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82
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83
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7 Implementación del sistema de automatización
La implementación se divide en dos etapas: en la primera se integra la interfaz electrónica
con la instrumentación de la PPD y su funcionamiento se verifica mediante la interfaz de
usuario, además se determina la relación voltaje-valor para cada sensor mediante un ajuste
lineal. En la segunda etapa se determinan analíticamente los parámetros del controlador
PID de cada lazo y se lleva a cabo el control empleando la interfaz de usuario y la interfaz
con Scilab/Scicos. En éste capítulo se presenta el desarrollo de la primera etapa iniciando
con las pruebas individuales de cada módulo electrónico construido.
7.1 Pruebas operacionales
Cada módulo de la interfaz electrónica se prueba individualmente con entradas conocidas y
se verifica al obtener la salida esperada.
El acondicionamiento de RTD se probó desde la entrada del módulo A hasta la
salida del módulo B empleando el RTD Pt100 del banco de regulación de temperatura del
laboratorio de control de cenidet. Los cambios de temperatura se produjeron al introducir el
RTD en agua a diversas temperaturas y verificando que el voltaje proporcionado por la
etapa de acondicionamiento correspondiera al valor de temperatura registrado por un
termopar de referencia. De igual forma se probó el acondicionamiento de los módulos D-E.
Las salidas de control de 4 a 20 mA del módulo C se midieron programando el
DAC para generar señales en el rango mencionado y se empleó una resistencia de 100Ω al
1% para medir la salida. En esta prueba se registraron voltajes entre 0.4 y 2 V confirmando
el correcto funcionamiento del módulo. Utilizando las salidas de este módulo se probó la
recepción correcta de señales de corriente en los módulos B y E al convertir las señales de
corriente de 4 a 20 mA a señales de voltaje entre -5 y 5 V.
Los relevadores del módulo A se probaron con voltajes de 24V en sus terminales y
accionándolos mediante la programación del registro 74595.
Automatiza
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7 Implementación del sistema de automatización
87
Una vez interconectadas la interfaz electrónica, la PPD y la PC, se inició la interfaz
de enlace y la interfaz de usuario en operación manual, y se verificó que la interfaz gráfica
mostrara y graficara el voltaje adquirido.
7.1.1 Pruebas en los actuadores
Cada actuador se probó manipulándolo desde la interfaz gráfica de usuario. Se revisó que
los botones de encendido-apagado accionaran su relevador correspondiente a través de la
programación del registro de corrimiento. Se programaron los ciclos de apertura-cierre de
la válvula de reflujo EV1 y se validó su operación midiendo los tiempos asignados. De
forma similar, la bomba G1 se probó programando su ciclo de carga y verificando que su
frecuencia de operación correspondiera a la señal enviada. A las válvulas FV1 y PV1 se les
envió señales de corriente entre 4 y 20 mA y se encontró que no están correctamente
calibradas, cubriendo aproximadamente el 60% de su carrera.
7.1.2 Pruebas en los sensores
Para determinar la correspondencia entre la temperatura del flujo de alimentación T1
indicada en el panel frontal de la PPD y el voltaje adquirido v1, se calentó agua empleando
J1 al 10% de su potencia calefactora y se tomó una muestra por cada variación de grado
aproximadamente. Asumiendo que todos los elementos de acondicionamiento entre el
sensor y el ADC son lineales, se supone una relación de la forma T1 =Av1 +b y se
determina empleando la función regress de Scilab (que implementa el método de mínimos
cuadrados [Won90]) como T1 =20v1 + 98. La Tabla 7-1 muestra algunos datos registrados
experimentalmente y la aproximación lineal obtenida.
Tabla 7-1 Muestras para la temperatura de alimentación
Voltaje Temperatura Ajuste lineal -3.51 28.0 28.0 -3.41 30.0 30.0
-3.01 38.0 38.0 -2.54 47.0 47.2 -1.56 67.0 66.8 -1.25 73.0 73.0
Automatiza
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J2 al 50%
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20
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98 0
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97.4 0
104.4 0
89
oximación line
obó para va
o completam
o manualme
voltaje adqui
igual que c
ación f = 95.
acterísticas d
nados por el p
ticas de los aco
Rango
0 a 1500 ml
100 a 100 l/h
0 a 200°C
0 a 200°C
0 a 200°C
0 a 200°C
0 a 200°C
7 Implementa
eal (línea cont
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irido vf por
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.8vf + 486.5.
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0.72°C
0.07°C
0.08°C
0.07°C
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ndo la válvu
flujo FI1
mento de 50
s, se realizó
de señal tom
ud Err
máxi
6 ml
36 l/h
1.76°C
0.15°C
0.27°C
0.12°C
0.15°C
ización
hora
ula de
como
litros
ó una
mando
ror
imo
Automatización de una columna de destilación
90
TT6 20 97.8 0 a 200°C 0.07°C 0.1% 0.22°C
TT7 20 89.6 0 a 200°C 0.05°C 0.1% 0.20°C
TT8 20 95.3 0 a 200°C 0.08°C 0.2% 0.20°C
TT9 20 96 0 a 200°C 0.09°C 0.2% 0.45°C
TT10 20 97 0 a 200°C * * *
TT11 20 98 0 a 200°C * * *
TT12 20 97 0 a 200°C * * *
(*) No determinado experimentalmente
7.2 Desempeño de la interfaz de usuario
Para evaluar las características en tiempo real flexible del sistema, se tomaron 10,000
muestras de los tiempos de respuesta y las fluctuaciones en el periodo de muestreo para las
tareas de la interfaz de usuario. El histogramas de la Figura 7-3 y el de la Figura 7-4
muestra que el 90% de las muestras tuvieron una latencia menor a 24.8 milisegundos y una
fluctuación de ±5 milisegundos. A partir de la Figura 7-3, para evitar que exista
solapamiento entre las tareas gráficas se recomienda un periodo de muestreo no menor a 45
milisegundos.
7 Implementación del sistema de automatización
91
-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0
50
100
150
200
250
300
350
400
segundos
Frecuencia
Figura 7-4 Histograma de fluctuaciones
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0
20
40
60
80
100
120
segundos
Frecuencia
Figura 7-3 Histograma de latencia
Automatización de una columna de destilación
92
7.3 Control PID
El esquema de control PID (proporcional + integral + derivativo) es el más común y se
emplea de forma exitosa en sistemas de control industrial, controlando más del 90% de los
procesos industriales en lazo cerrado [AH01]. Básicamente se define con el cálculo de tres
parámetros: La ganancia proporcional Kp, que proporciona una corrección proporcional al
error; La ganancia integral Ki que genera una señal de corrección proporcional a la integral
del error (una señal de error constante producirá una señal de corrección que aumenta de
forma constante), y la ganancia derivativa Kd que produce una acción de control
proporcional a la velocidad de cambio del error (cuando hay un cambio súbito en la señal
de error, el controlador produce una señal correctora de gran magnitud y cuando el cambio
es gradual se produce una pequeña señal correctora).
7.3.1 Ley de control
Idealmente, la acción de control PID está dada por
00
( )( ) ( ) ( ) ( )t
p i dde tu t K e t K e d K u
dtτ τ= + + +∫
donde el error e(t) es la diferencia entre el valor de referencia r(t) y la salida de la planta
y(t), u0 es la salida cuando no hay error, y u(t) es la señal de salida del controlador.
Frecuentemente esta ecuación se expresa como
00
1 ( )( ) ( ) ( )t
p di
de tu t K e t e d T uT dt
τ τ⎡ ⎤
= + + +⎢ ⎥⎣ ⎦
∫ (7.1)
donde Ti = Ki/Kp es el tiempo integral (tiempo de reajuste) y Td = Kd/Kp es el tiempo
derivativo (o tiempo de adelanto). Aplicando la transformada de Laplace a la ecuación 2.1
se tiene
1( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( )p d di i
sU s K E s E s sE s T K sT E ssT T
⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + + = + +⎢ ⎥ ⎢ ⎥
⎣ ⎦ ⎣ ⎦
En controladores prácticos, la acción derivativa se implementa como
1 /d
dd
sTsTsT N
≈+
7 Implementación del sistema de automatización
93
ésta aproximación actúa como el término derivativo ideal dsT para frecuencias bajas y
limita la ganancia derivativa a N en frecuencias altas. N recibe valores típicos entre 8 y 20.
Con la finalidad de evitar cambios bruscos en la señal de control ante cambios grandes en la
referencia la acción derivativa se aplica a la salida del proceso Y(s) en lugar de aplicarse a
la señal de error. A ésta configuración se le conoce como controlador PI-D.
Otra mejora es aplicar la acción proporcional únicamente a una fracción b de la
señal de referencia ( ( ) ( ))pP K bR s Y s= −
Con estas modificaciones, la ley de control PI-D queda como
( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )11 /
dp
i d
sTU s K bR s Y s R s Y s Y ssT sT N
⎛ ⎞= − + − −⎜ ⎟+⎝ ⎠
(7.2)
Otra configuración es el control I-PD, cuya ley de control está dada por:
( )1( ) ( ) ( ) ( ) ( )P di
U s K Y s R s Y s T sY ssT
= − + − − (7.3)
Una ventaja del esquema de control I-PD es que presenta mejores características de
respuesta para cambios grandes en el punto de ajuste o en la puesta en funcionamiento del
proceso, resultando útil en la supresión de correcciones excesivas.
7.3.2 Saturación del término integral
La ley de control PID presentada en la sección anterior no considera que la señal de control
tenga un rango limitado, sin embargo, todos los actuadores presentan límites de actuación.
Por ejemplo, las válvulas tienen un campo de acción limitado por las posiciones totalmente
abierta o totalmente cerrada. Si se presentan errores muy grandes o persistentes, el término
integral puede llegar a ser excesivo y saturar al elemento de corrección generando un
sobrepaso y tiempo de asentamiento muy grande en la respuesta del sistema. Cuando la
señal de control alcanza los límites del actuador el lazo de retroalimentación se abre debido
a que el actuador permanece en su límite independientemente de la salida del proceso.
Automatización de una columna de destilación
94
Este problema se puede evitar considerando las restricciones del actuador y
limitando el valor máximo que el término integral I puede alcanzar
max max
min max
min min
si ( ) ( ) ( ) si ( )
si ( )
I i t II t i t I i t I
I i t I
>⎧⎪= < <⎨⎪ <⎩
donde
0( ) ( )
tp
i
Ki t e d
Tτ τ= ∫
e Imax, Imin son los valores máximos y mínimos permitidos respectivamente del término
integral I.
Otra solución es agregar un lazo de retroalimentación del error entre la señal de
control v generada por el controlador y la señal u que puede recibir el actuador
max max
min max
min min
si ( ) ( ) ( ) si ( )
si ( )
u v t uu t v t u u t u
u v t u
>⎧⎪= < <⎨⎪ <⎩
siendo umin y umax los niveles de saturación inferior y superior del actuador respectivamente.
El lazo de retroalimentación adicional afecta al término integral y actúa únicamente durante
la saturación del actuador, estabilizándolo cuando el lazo principal de retroalimentación se
encuentra abierto debido a la saturación. Este método recibe el nombre de seguimiento
integral y su implementación en un controlador PI-D se muestra en la Figura 7-5. La ley de
control queda como
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 ( ) ( )1 /
dp
i r d
R s Y s sTU s V sU s K bR s Y s Y ss T T sT N
⎛ ⎞−⎛ ⎞−= − + + −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟+⎝ ⎠⎝ ⎠ (7.4)
7 Implementación del sistema de automatización
95
Kpbr[k]
y[k]
+
++
u(s)
+
+_
+
v(s)
_
_ +_
1 /p d
d
K TsT N+
p
i
KT
1s
1
rT
Figura 7-5 Control PI-D con seguimiento integral
Si no hay saturación, U(s) - V(s) = 0 y la ecuación 7.4 se convierte en la ecuación
7.2. Cuando el actuador se satura, se modifica el término integral para hacer U(s) = V(s). El
efecto de la saturación se elimina con una constante de tiempo Tr. Como regla general se
toma Td < Tr < Ti, típicamente
dr d i
i
KT T TK
= =
Otra ventaja de esta técnica es que permite alternar entre diferentes algoritmos de
control, o de control manual a control automático, evitando transiciones bruscas en la
conmutación. Para tal fin se debe modificar la función de saturación y hacer
min max manualu u u= =
y de esta forma llevar al término integral a un valor adecuado para igualar la señal de salida
del controlador automático y la señal generada manualmente.
7.3.3 Controlador PID digital
En una computadora se puede implementar la ley de control PID aproximando
numéricamente el término integral y derivativo por ecuaciones en diferencias y
reemplazando las variables en tiempo continuo por variables en tiempo discreto. Para el
controlador PID descrito por la ecuación 7.4 la parte proporcional es estática y no requiere
aproximación [ ] ( [ ] [ ])pP k K br k y k= −
Automatización de una columna de destilación
96
la parte derivativa
( ) ( )1 /
p d
d
K sTD s Y s
sT N= −
+
se puede estimar mediante una aproximación hacia atrás remplazando la variable continua s
por el término (1 – z-1)/T donde T es el periodo de muestreo. Simplificando y aplicando la
transformada z inversa queda
[ ] [ ] [ ] [ ]( )( )1 1dp
d
TD k D k K N y k y kT NT
= − − − −+
El término Td/(Td+NT) está en el rango de 0 a 1 para todos los valores de sus
parámetros, garantizando que la ecuación en diferencias es estable. El término integral con
realimentación se puede aproximar por la ecuación en diferencias
[ ] [ ] [ ] ( )1 [ 1] [ 1]p
r
K T TI k I k e k u k v kTi T
= − + + − − −
por lo que las ecuaciones a implementar en una PC son: [ ] ( [ ] [ ])pP k K br k y k= −
[ ] [ ] [ ] [ ]( )( )1 1dp
d
TD k D k K N y k y kT NT
= − − − −+
[ ] [ ] [ ][ ]v k P k I k D k= + +
[ ] ( )( )minmax ,min , [ ]maxu k u u v k=
[ ] [ ] [ ] ( )1 [ ] [ ]p
r
K T TI k I k e k v k u kTi T
+ = + + −
siendo Kp, Ti, Td, b y N los parámetros a sintonizar. El diagrama de bloques del controlador
PI-D digital se puede apreciar en la Figura 7-6.
7 Implementación del sistema de automatización
97
KPb
Z -1 KPN
Z-1
r[k]
y[k]
+
+ _
+
Z-1
++
u[k]
+
TTr
+
+
+ +
v[k]_
_
_ +_
Z-1
Z -1
P
i
K TT
d
d
TT NT+
Figura 7-6 Controlador PI-D digital
Si el parámetro b es cero, la acción proporcional se aplica únicamente a la señal y[k]
y el controlador se convierte en el controlador I-PD con seguimiento integral de la Figura
7-7.
Kp
Z -1 KpN
r[k]
y[k]
+ _
+
Z-1
++
u[k]
+
TTr
+
+
+ +
v[k]_
_ +
_
Z-1
Z -1
p
i
K TT
Z-1
d
d
TT NT+
Figura 7-7 Controlador I-PD digital
Un algoritmo para realizar un control PID es:
1. Determinar los valores iniciales I[k], D[k], y[k-1] y el tiempo de Muestreo T.
2. Obtener el valor de referencia, el valor real muestreado y los parámetros Kp, Ki,
Kd, b y N del lazo de control
3. Calcular el valor de salida u[k] ejecutando el algoritmo de control
4. Enviar el valor u[k] hacia el elemento de corrección
Automatización de una columna de destilación
98
5. Actualizar los estados e[k-1], I[k] y D[k]
6. Esperar a que transcurra el tiempo T
7. Regresar al paso 2
El orden de estas operaciones es importante; la señal de control se debe enviar tan
pronto se calcule para reducir el tiempo de retardo τc desde el muestreo hasta generar la
señal de salida. Si T >> τc éste se puede considerar nulo.
7.3.4 Consideraciones del periodo de muestreo
Si un sistema digital tiene una frecuencia de muestreo relativamente alta comparada con las
constantes de tiempo del sistema a controlar, éste se aproxima a un sistema en tiempo
continuo permitiendo diseñar y sintonizar controladores PID mediante técnicas de sistemas
continuos, para posteriormente implementarlos en una computadora digital. Sin embargo,
una frecuencia de muestreo excesiva agrega una sobrecarga de procesamiento a la
computadora.
Afortunadamente, los sistemas de control de procesos tienen constantes de tiempo
grandes y se aplican reglas generales para determinar un periodo de muestreo aceptable.
Para sistemas de control de temperatura el periodo de muestreo por lo general es de 10 a 30
segundos, para sistemas de control de presión de 1 a 5 segundos y para sistemas de control
de flujo de líquido de 1 a 3 segundos [Oga97]. Por otra parte, la selección del periodo de
muestreo se deja libre a criterio del usuario final de la plataforma de automatización
desarrollada.
7.3.5 Sintonización
El controlador PID es un regulador que no incorpora conocimiento explícito del
proceso y para sistemas de control de procesos se sintoniza normalmente de forma
experimental en plantas donde su dinámica no está bien definida (tales como sistemas de
regulación de temperatura, presión y de nivel de líquidos) [Oga97]. Para ayudar a sintonizar
un controlador PID se cuentan con diferentes recomendaciones y métodos prácticos
ampliamente utilizados como las reglas de Ziegler-Nichols. Estos métodos son simples y
rápidos, pero generalmente no proporcionan la mejor sintonización, por lo que se deben
7 Implementación del sistema de automatización
99
emplear como un punto de partida para buscar una sintonización más fina a través del
método de tanteo.
Para sintonizar los lazos de control de la columna de destilación se emplearon las
reglas descritas en [AW90] sin realizar una sintonización fina con el fin de mostrar la
aplicación directa de estos métodos en el controlador PID programado en la interfaz de
usuario.
8 La
soft
req
con
pro
pru
8.1
El
con
un
se r
señ
la F
por
Validaúltima fase
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querimientos
Para mo
ntrol del flujo
Para val
oceso de de
uebas similar
1 Contro
objetivo de
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Figura 8-1.
En [Val
r la función d
ación del desarro
PPD, asegu
y sea operab
ostrar la efec
o de agua al
lidar la nuev
stilación, se
res realizada
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manual de la
onamiento. E
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Figura 8
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ctividad del c
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PPD recomi
El flujo de ag
vula neumáti
en un rango
8-1 Lazo de co
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G
yecto es ins
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usuarios.
controlador
or y del contr
n la parte fin
los datos y
ntroladores D
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r el flujo d
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gua se sumin
ica FV1. Un
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PID program
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Digitric.
densador
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o de agua al co
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31+
uipo electrón
to funcione
mado se elig
mperatura de
apítulo se po
aran con dat
r
enfriamiento
do de 300 lit
na bomba ex
lectrónico FI
lazo de cont
ondensador
alón y se apr
nico junto c
de acuerdo
ieron los laz
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xterna a la P
I1 proporcio
trol se muest
roximó el sis
con el
a los
zos de
n.
ha un
os de
nsador
a para
PPD y
ona la
tra en
stema
Automatización de una columna de destilación
102
De dicho modelo analítico se identifica el requerimiento un periodo de muestreo de
0.3/10 = 0.03 segundos o inferior. No obstante, basándose en el periodo de muestreo
mínimo que permiten los reguladores Digitric™ 500 se elige el periodo de muestreo de 0.2
segundos ya que los demás lazos de control tienen constantes grandes. Esto disminuye el
desempeño del controlador pero reduce considerablemente la carga computacional. A partir
de las reglas de sintonización descritas en [AW90] se diseña un controlador PI con las
ganancias Kp = 0.025 y Ki = 0.034. Determinados los parámetros del controlador se
implementa como prueba desde la interfaz de usuario y la interfaz con Scilab/Scicos.
8.1.1 Control desde la interfaz de usuario
Para llevar a la práctica el control se inicia la interfaz de usuario en operación manual, se
fija el periodo de muestreo en 0.2 segundos y se conecta a la interfaz de enlace. Desde la
ventana de control se lleva manualmente el flujo de enfriamiento a un valor de 250 l/h. Una
vez alcanzado dicho valor se activa el modo de control automático y se verifica que no
exista ningún transitorio en la conmutación. Finalmente se realizan cambios en el punto de
ajuste y se verifica que el control responda adecuadamente. La Figura 8-2 muestra la
ventana de control en funcionamiento, se puede apreciar la respuesta y la señal de control
generada para un cambio en escalón de 80 a 251 l/h.
Kd
Fig
apli
pue
amb
Para pro
de 0.02, lo
gura 8-3 se c
icándole un
ede apreciar
bos casos el
a)
Figu
obar el contr
os demás pa
comparan las
control PI
r en la Figu
tiempo de a
0 5190
200
210
220
230
240
250
260
270
ura 8-2 Puesta
rol PID se re
rámetros de
s respuestas
y PID así c
ura 8-3 el c
asentamiento
10 15
103
a en marcha d
educe la gan
el control PI
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como las señ
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o fue de 25 s
20 25
del lazo de con
nancia Ki a 0
ID se dejan
te un cambio
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PID present
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30 35
trol #1
0.024 y se ag
en su valor
o en escalón
or en ambos
tó un menor
5% de error.
40 45
8 Vali
grega la gan
r prefijado.
n de 190 a 25
s casos. Com
r sobrepaso
50
dación
nancia
En la
50 l/h
mo se
y en
Automatización de una columna de destilación
104
b)
Figura 8-3 a) Respuesta del control PI (línea sólida) y PID (línea discontinua) al lazo #1. b) Señales de
error
Para una comparación cuantitativa de los dos controladores se calcularon los índices
de desempeño y las características dinámicas de su respuesta (véase la Tabla 8-1). El
controlador PID presentó mejores resultados en los índices de desempeño, sin embargo por
facilidad de sintonización se dejó el controlador PI como predeterminado en la interfaz de
usuario.
Tabla 8-1 Parámetros de desempeño de los controladores PI y PID
Índices y parámetros de
desempeño
Controlador
PI
Controlador
PID
IAE 211 199
ISE 4438 2386
ITAE 1216 902
ITSE 9904 6656
Porcentaje de sobrepaso 30% 11.66%
Tiempo de subida 6 segundos 8 segundos
Tiempo pico 8 segundos 12 segundos
Tiempo de establecimiento 25 segundos 25 segundos
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -20
-10
0
10
20
30
40
50
60
8.1
El l
blo
Par
per
trab
pue
esc
suje
1.2 Contr
lazo de cont
ques de la F
ra las gananc
Emplean
riodo de mue
Aunque
bajando con
ede interactu
alón a partir
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rol desde
trol se imple
Figura 8-4.
cias dadas pr
ndo Scilab
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Figura 8-4
e este diagra
n la PPD, co
uar con él.
r de un valor
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e la interfa
ementó en Sc
El bloque n
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2 segundos y
𝐺 (𝑠)
Controlador
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La Figura
r inicial de 4
105
az con Sc
cilab en mod
num(z)/den(
el controlad) = 0.025𝑠 +𝑠na el equiva
y se obtiene l
= 0.027𝑧 −𝑧 −
digital prototi
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limitante de
8-5 muestra
40 l/h a 100
cilab/Scic
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z) implemen
or PI en tiem+ 0.034𝑠
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U
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107
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la interfa
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8.2 Co
Los parám
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colocand
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n el mismo
a de poder
método de la
n la planta
de G1 y se
z alcanzado
muestra de
n se detiene
8 Validación
109
hasta que la temperatura ha alcanzó un valor estable. La Figura 8-8 muestra la curva de
reacción obtenida y sugiere un modelo lineal de tipo 0.
Figura 8-8 Curva de reacción del lazo #2
A partir de la curva de respuesta y debido a que presenta un retardo de transferencia
grande, se elige un controlador PID con los parámetros Kp = 0.3267, Ki = 0.0025 y Kd =
5.5555. Estos valores se introducen en la ventana de control, se prueba el controlador
poniéndolo en modo automático y generando cambios en el valor de referencia. Los
resultados para un cambio en la temperatura de 29 a 61 grados se muestran en la Figura 8-9.
0 10 20 30 40 5025 30
35
40 45 50
55 60 65
70 75
Temperatura (ºC)
Tiempo en segundos
a)
Automatización de una columna de destilación
110
Figura 8-9 a) Respuesta ante una entrada en escalón del lazo #2. b) Señal de control
La configuración de control presentada puede servir de punto de partida para afinar
el controlador para otras mezclas a fin de lograr un mejor desempeño. Si el cambio es muy
drástico, podrían sintonizarse repitiendo el experimento aquí mencionado o repitiendo el
experimento del control PID con diferentes ganancias en torno a los valores prefijados.
8.3 Comparación con los controladores Digitric
En ésta sección se hacen pruebas comparativas del sistema de automatización desarrollado
contra los controladores Digitric. La primera prueba tiene como propósito demostrar que
ambos sistemas de automatización presentan las mismas respuestas ante cambios en la
potencia calefactora de J2 y cambios en la alimentación manteniendo un reflujo total. Ésta
prueba consistió en los siguientes pasos:
• Activar la resistencia J2, la cual activa el hervidor de la mezcla metanol-
etanol y ponerla al 50% de su potencia calefactora (1250 W)
• Esperar cinco minutos para alcanzar un estado estable en la temperatura
• Poner el lazo #2 en automático con una temperatura deseada de 80ºC
• Encender la bomba de alimentación al 50% de su capacidad y esperar a que
se estabilicen las temperaturas
• Poner la resistencia J2 a 1000 W y esperar a que se estabilicen las
temperaturas
0 100 200 300 400 5004
6
8
10
12
14
16
18
Tiempo en segundos
Señal de control (mA)
b)
8 Validación
111
• Poner la resistencia J2 a 500 W y esperar a que se estabilicen las
temperaturas
• Interrumpir la alimentación apagando G1 y J1 y esperar a que se estabilicen
las temperaturas
• Poner la resistencia J2 a cero y apagarla.
Los cambios de temperaturas obtenidas mediante la aplicación cpiloto se muestran
en la Figura 8-10 donde se puede observar la evolución de las temperaturas T2 a T9 a partir
de una temperatura inicial cercana a la temperatura ambiente, aumentando o disminuyendo
de acuerdo a la potencia calefactora en J2. También se observa su tendencia a la
temperatura ambiente una vez apagada J2.
a) Repuestas de los transmisores RTD ante variaciones de la potencia en la resistencia calefactora J2
0 10 20 30 40 50 60 70 80
30
40
50
60
70
80
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
Temperatura (ºC)
Tiempo en minutos
Automatización de una columna de destilación
112
b) Señal de control para J2 (línea roja), G1 (línea azul) y J1 (línea verde)
Figura 8-10 a) Respuesta obtenida de la prueba No.1 mediante la interfaz construida. b) Señal de
control para actuadores.
Esta misma prueba se realizó empleando los controladores Digitric y la aplicación
SPPD, sin embargo, se empleó el modo manual para fijar la temperatura de alimentación.
Los cambios de temperaturas se muestran en la Figura 8-11 junto con las señales de control.
La aplicación SPPD no registra las señales de control J1, por lo que no se muestra en la
gráfica.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Tiempo en minutos
Señal de control (mA)
J1 J2 G1
8 Validación
113
a) Repuestas de los transmisores RTD ante variaciones de la potencia en la resistencia calefactora J2
b) Señal de control para J2 (línea roja), G1 (línea azul)
Figura 8-11 a) Respuesta obtenida de la prueba No. 1 empleando la aplicación SPPD(controladores
Digitric). b) Señal de control para actuadores.
Durante la primera prueba comparativa puede notarse que las respuestas de ambos
sistemas tienen cualitativamente el mismo comportamiento, las diferencias en el aumento
inicial se deben a diferentes condiciones iniciales y ambientales en las pruebas. En estado
0 10 20 30 40 50 60 70
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Tiempo en minutos
Señal de control (mA)
J2 G1
0 10 20 30 40 50 60 70 80
30
40
50
60
70
80
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
Temperatura (ºC)
Tiempo en minutos
80
Automatización de una columna de destilación
114
estable se presenta una diferencia constante debido a la variación que existe entre las
temperaturas indicadas en el panel de la PPD y las temperaturas registradas por los
controladores Digitric™, ya que las primeras tomaron como referencia.
En la Figura 8-12 se muestran las temperaturas registradas por ambos sistemas y se
calculan los errores en estado estable con la finalidad de tener un indicador cuantificable de
su diferencia.
a) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 1
b) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 2
0 10 20 30 40 50 60 70 8020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI2 (ºC)
Error medio absoluto 0.56 Error cuadrático medio 0.56 Desviación estándar 0.07
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 70 80 20
30
40
50
60
70
80
Temperatura en TI1 (ºC)
Tiempo en minutos
Error medio absoluto 1.53 Error cuadrático medio 1.66 Desviación estándar 0.66
Cpiloto Digitric
8 Validación
115
c) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 3
d) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 4
e) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 5
0 10 20 30 40 50 60 70 8020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI5 (ºC)
Error medio absoluto 1.21 Error cuadrático medio 1.23 Desviación estándar 0.24
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 70 8020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI4 (ºC)
Error medio absoluto 0.96 Error cuadrático medio 0.97 Desviación estándar 0.18
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 70 8020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI3 (ºC)
Error medio absoluto 0.73 Error cuadrático medio 0.74 Desviación estándar 0.11
Cpiloto Digitric
Automatización de una columna de destilación
116
f) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 6
g) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 7
h) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 8
0 10 20 30 40 50 60 70 8020
30
40
50
60
70
80
Temperatura en TI8 (ºC)
Tiempo en minutos
Error medio absoluto 1.69 Error cuadrático medio 2.45 Desviación estándar 1.79
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 70 8020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI7 (ºC)
Error medio absoluto 1.18 Error cuadrático medio 1.22 Desviación estándar 0.3
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 70 80 20
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI6 (ºC)
Error medio absoluto 1.47 Error cuadrático medio 1.49 Desviación estándar 0.27
Cpiloto Digitric
8 Validación
117
i) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 9
Figura 8-12 Comparación de las temperaturas registradas en la primera prueba.
La segunda prueba tiene como propósito demostrar que ambos sistemas de
automatización presentan las mismas respuestas ante cambios en el reflujo de destilado.
Para hacerla independiente de los factores de la primera prueba no se proporcionó una
alimentación y el flujo de agua de enfriamiento se fijó manualmente a 300 l/h. Los pasos
que se siguieron en esta prueba son:
1. Activar la resistencia J2 al 50% de su potencia calefactora y llevar la mezcla
a ebullición (20 minutos)
2. Encender EV1 y aplicar un porcentaje de reflujo del 50% ajustando el
tiempo de apertura y cierre en 5 segundos y un tiempo de ejecución de un
minuto
3. Esperar un minuto y volver a activar el ciclo de apertura/cierre durante dos
minutos
4. Esperar dos minutos y programar una cantidad de de reflujo al 20%
estableciendo el tiempo de apertura en ocho segundos y el tiempo de cierre
en dos segundos durante un tiempo de ejecución de un minutos.
5. Esperar minuto y medio y ejecutar el ciclo previo durante cinco minutos.
6. Esperar por 5 minutos a que se estabilicen las temperaturas y abrir EV1
durante 10 minutos.
7. Finalmente cerrar EV1 y a los 10 minutos apagar J2
0 10 20 30 40 50 60 70 8020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI9 (ºC)
Error medio absoluto 1.18 Error cuadrático medio 2.37 Desviación estándar 2.07
Cpiloto Digitric
Automatización de una columna de destilación
118
Los resultados de esta prueba empleando el programa cpiloto se muestran en la
Figura 8-13.
a) Repuestas en las temperaturas ante la extracción de destilado por apertura/cierre de EV1
b) Cantidad de destilado obtenido
Figura 8-13 a) Respuestas de temperaturas obtenidas de la prueba No.2 mediante la interfaz
construida. b) Nivel de destilado obtenido
Para realizar esta prueba empleando la aplicación SPPD se presentaron dos
problemas: primero, desde la aplicación SPPD no se puede programar EV1, por lo que se
tuvo que programar desde el panel principal de la columna de destilación; y segundo, el
0 10 20 30 40 50 60 70-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200 Cantidad de destilado (ml)
Tiempo en minutos
0 10 20 30 40 50 60 70
30
40
50
60
70
80
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
Temperaturas (ºC)
Tiempo en minutos
8 Validación
119
panel principal no permite mantener completamente abierta EV1 por un periodo mayor a 10
segundos sin cerrarla por un segundo, lo que afectó la toma de destilado con EV1
totalmente abierta, para compensar esto, se mantuvo un tiempo mayor el ciclo de
apertura/cierre del paso 7. El efecto debido al mayor tiempo de toma de destilado del paso 7
se pueden evidenciar en la Figura 8-14 ya que se obtuvo mayor cantidad de destilado pero a
una tasa menor. Como consecuencia las temperaturas tuvieron un mayor incremento y al
apagar J2 un descenso más pronunciado hacia la temperatura ambiente. No obstante,
durante los ciclos de apertura y cierre en estado estable se obtuvo aproximadamente la
misma cantidad de destilado y a la misma tasa, por lo que la prueba se considera
satisfactoria para el propósito establecido. Una mejor comparación de los cambios en las
temperaturas así como la cantidad de destilado obtenido en ambos sistemas se puede
apreciar en las gráficas de la Figura 8-15, de aquí se observa que durante la operación de
ambos sistemas se obtienen las mismas temperaturas y por lo tanto las mismas
concentraciones, con las diferencias mencionadas previamente en la prueba #1.
Figura 8-14 Cambio en las temperaturas para la prueba #2 empleando los controladores Digitric™.
0 10 20 30 40 50 60 7020
30
40
50
60
70
80
Temperaturas (ºC)
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
Tiempo en minutos
Automatización de una columna de destilación
120
a) Comparación de destilado obtenido en prueba #2
b) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 2
c) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 3
0 10 20 30 40 50 60 7020
30
40
50
60
70
80
Temperatura en TI3 (ºC)
Tiempo en minutos
Error medio absoluto 0.32 Error cuadrático medio 0.54 Desviación estándar 0.45
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 7020
30
40
50
60
70
80
Temperatura en TI2 (ºC)
Tiempo en minutos
Error medio absoluto 0.42 Error cuadrático medio 0.44 Desviación estándar 0.15
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 70 -200
0
200
400
600
800
1000
1200 Cantidad de destilado (ml)
Tiempo en minutos
Error medio absoluto 20.6 Error cuadrático medio 27.17 Desviación estándar 26.77
Cpiloto Digitric
8 Validación
121
d) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 4
e) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 5
f) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 6
0 10 20 30 40 50 60 7020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI6 (ºC)
Error medio absoluto 0.74 Error cuadrático medio 0.78 Desviación estándar 0.41
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 7020
30
40
50
60
70
80
Temperatura en TI5 (ºC)
Tiempo en minutos
Error medio absoluto 0.67 Error cuadrático medio 0.70 Desviación estándar 0.44
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 7020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI4 (ºC)
Error medio absoluto 0.31 Error cuadrático medio 0.5 Desviación estándar 0.49
Cpiloto Digitric
Automatización de una columna de destilación
122
g) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 7
a) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 8
a) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 9
Figura 8-15 Comparación del nivel del destilado y de las temperaturas registradas en la segunda
prueba.
0 10 20 30 40 50 60 7020
30
40
50
60
70
80
Temperatura en TI9 (ºC)
Tiempo en minutos
Error medio absoluto 0.52 Error cuadrático medio 0.63 Desviación estándar 0.62
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 7020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI8 (ºC)
Error medio absoluto 1.12 Error cuadrático medio 1.19 Desviación estándar 0.61
Cpiloto Digitric
0 10 20 30 40 50 60 7020
30
40
50
60
70
80
Tiempo en minutos
Temperatura en TI7 (ºC)
Error medio absoluto 0.58 Error cuadrático medio 0.65 Desviación estándar 0.67
Cpiloto Digitric
8 Validación
123
8.4 Conclusiones
De las pruebas de validación realizadas en ésta sección concluimos que el sistema
cumple con los requerimientos especificados y es completamente operable, siendo una
buena alternativa al empleo de los controladores de fábrica. Cabe señalar que se desconoce
el algoritmo de control PID implementado en los controladores Digitric y que puede diferir
del algoritmo implementado en la interfaz de usuario, por lo que no se espera que los lazos
de control presenten la misma respuesta con los mismos valores de sintonización.
9 Conclusiones y recomendaciones Cumpliendo con las especificaciones de diseño propuestas, se empleó un diseño modular en
la interfaz electrónica, así como en la interfaz de software. Además se cuenta con
capacidad de expansión en la instrumentación.
Se instaló y configuró un CACSD que permite:
• Diseñar e implementar nuevos algoritmos de control para aplicarlos en la columna
de destilación u otro equipo, tal como los bancos de regulación de nivel y de
temperatura de la institución
• Supervisar el proceso de destilación desde una interfaz gráfica
• Crear aplicaciones a la medida para la supervisión y control del proceso de
destilación
Se implementó una interfaz gráfica de usuario para supervisión y control de la PPD
en lazo abierto y cerrado. Esta cumple con las especificaciones funcionales definidas al
inicio del proyecto de tesis. Para cada interfaz mencionada se elaboró su correspondiente
documentación, tal como manual de instalación, de usuario e información de conexión de la
interfaz electrónica.
Los controladores PID programados en la interfaz de usuario y los realizados
empleando Scilab se probaron satisfactoriamente en el lazo de regulación de flujo y en el de
regulación de la temperatura de alimentación. Para su sintonización se emplearon métodos
convencionales de control en tiempo continuo.
Al emplear un sistema operativo completo para la automatización, se pueden
encontrar fácilmente herramientas de desarrollo potentes y programadores que las dominen.
Gracias a la plataforma PC, el sistema de automatización puede ser modificado,
actualizado, reconfigurado o reemplazado para adaptarlo a nuevas necesidades, permitiendo
así una rápida incorporación de nuevas tecnologías. El uso de una computadora en el
sistema de automatización permite realizar instrumentación virtual para medir señales que
no son tomadas por sensores físicos mediante la implementación de observadores, o para
Automatización de una columna de destilación
126
construir indicadores “personalizados” con la funcionalidad e interfaz gráfica que uno
desee.
Al contar con el código fuente de las aplicaciones creadas, se puede ampliar y
mejorar la funcionalidad tanto de la interfaz de software como del sistema de supervisión y
control. Y al ser implementado con herramientas de software libre, no se requieren
licencias para emplearlo y modificarlo.
9.1 Comparación del sistema desarrollado y el original
Al igual que en su configuración original, los actuadores de la columna se pueden encender
y apagar desde el panel frontal de la PPD (en modo automático) o desde la PC (en modo
PC). El botón de seguridad opera de igual forma en ambos sistemas.
Las limitaciones de tiempo de apertura y cierre por los temporizadores de EV1
quedan eliminadas con la nueva interfaz y aún queda la opción de programarse desde el
panel de control de la PPD. Respecto a los indicadores digitales de temperatura montados
en el panel de la planta piloto, se tiene una desviación máxima del 1.4% en las lecturas
capturadas desde la interfaz desarrollada.
Una limitante en el periodo de muestreo de la interfaz de usuario es que para valores
inferiores a 0.045 segundos y en estado de carga de trabajo para la PC eventualmente no se
alcanzan a realizar todas las operaciones de control, visualización, graficación y registro;
por lo que se deben usar periodos de muestreo mayores a 45 milisegundos. Esto no
representa una limitante seria si se tiene en cuenta que el periodo de muestreo mínimo
permitido por los controladores Digitric 500 es de 200 milisegundos.
La interfaz electrónica, de enlace y de usuario desarrolladas reemplazan
funcionalmente a los controladores Digitric 500 y a la aplicación Pilot for Windows™ que
acompañan originalmente al equipo.
A diferencia de la interfaz de usuario de la aplicación Pilot for Windows™ que
maneja los valores para los actuadores en porcentajes, la interfaz cpiloto muestra las
magnitudes junto con sus unidades físicas y permite indicar la señal de control de acuerdo
al rango de cada actuador o en valores de 4 a 20 mA.
9 Conclusiones y recomendaciones
127
9.2 Conclusiones generales
La planta piloto ElettronicaVeneta™ de cenidet, amplió su potencial de uso gracias al
sistema de control asistido por computadora instalado.
Como ventaja sobre la configuración de fábrica (cerrada), la interfaz elaborada
(abierta) es completamente configurable, de fácil mantenimiento y extendible tanto en
hardware como en software. Al haber realizado todo el sistema de forma modular se facilita
la modificación de sus componentes y su empleo no exclusivo para la columna de
destilación. Es decir, se puede adaptar este tipo de sistemas de automatización a otros
procesos sin mayor esfuerzo, tal como se aplicó para en el banco de regulación de nivel.
El uso de Scilab/Scicos abre la posibilidad de diseñar y aplicar diferentes
controladores sobre el proceso de destilación. Incluso es posible modificar los lazos de
control actuales y programar condiciones de seguridad para el proceso.
Se encuentra a Linux/GNU como un sistema operativo estable. Sin embargo, su
curva de aprendizaje puede ser más lenta debido principalmente a la costumbre de usar
software propietario. El desarrollo de este trabajo demuestra la viabilidad de usar software
libre como medio para impulsar el desarrollo de sistemas de automatización y control por
computadora.
9.3 Trabajos futuros propuestos
A partir de la configuración de la PPD realizada en este trabajo de tesis, se tiene un punto
de partida para el desarrollo de nuevos trabajos de mejora y extensión tanto de la planta
como de los circuitos electrónicos y las aplicaciones desarrolladas. Una mejora sería
agregar un simulador numérico a la interfaz de usuario como aplicación de entrenamiento
del operador antes de realizar prácticas en el equipo real. Del mismo modo, es de interés
extender la interfaz de usuario agregándole observadores e indicadores para mostrar las
composiciones de la mezcla en cada plato. Los controladores PID programados se pueden
reemplazar por cualquier otro esquema de control, como un control difuso o adaptable.
Otro trabajo propuesto, es desarrollar el control y supervisión de la PPD de forma
remota, esto es posible ya que las aplicaciones están implementadas sobre un sistema
Automatización de una columna de destilación
128
operativo con funciones de red y la interfaz de enlace se puede extender para aceptar
comandos transmitidos desde una terminal remota.
Por seguridad, se propone enlazar el botón de paro de emergencia a la interfaz
electrónica y programar condiciones de seguridad para la activación de este, así como
colocar alertas visuales. Por ejemplo al estar el depósito de destilado al 90% de su
capacidad dar una alerta visual, algún limite en la temperatura de los RTDs o en la
temperatura de salida del destilado pudiera dar indicio de algún descuido, en ese caso
activar paro de emergencia.
REFERENCIAS
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[AH01] K.J. Åström and T.H. Hägglund, The future of PID control, Lund University of Thechnology, Lund, Sweden 2001.
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[BC94] Basualdo, M.S. and Calvo, R.A, Neural control strategies of a binary distillation column. IEEE International Symposium, May 1994. Page(s):77 – 81.
[BD03] R. Bucher and L. Dozio, CACSD under RTAI Linux with RTAI-Lab, Realtime Linux Work-shop, Valencia, Spain, 2003
[BL03] Bo, C.M. and Li, J., The application of neural network soft sensor technology to an advanced control system of distillation operation, International Joint Conference 2003, Vol. 2. Page(s):1054 – 1058.
[Buc03] Bucher, R., Rapid controller prototyping of the inverted pendulum using Scilab/Scicos, Comedi drivers and Rtai-Lab, http://a.die.supsi.ch/~bucher/pendolo_controller.pdf, Valencia, Spain, 2003
[CGT06] M. Culebro, W. Gómez y S. Torres. Software libre vs software Propietario, Ventajas y desventajas. México, 2006.
[DM03] L. Dozio and P. Mantegazza, Linux real time application interface RTAI in low cost high performance motion control, In Motion Control, National Italian Association for Automation, 2003.
[EE96] Elnemr, H.A. and Elewa, M.M., Expert failure detection technique for distillation column, IEEE IECON 22nd International Conference, Vol.3. Agosto 1996. Page(s):1323 – 1328.
[EV98] Manual Profesor/Alumno, Planta piloto automatizada y computerizada de destilación continua. MOD DCA/EV, ElettronicaVeneta, Italia, 1998.
[HK97] Jimmy L. Humphrey and George E. Keller II, Separation Process Technology,Performance Selection Scaleup, McGrawHill, 1997.
Automatización de una columna de destilación
130
[Jug] Jugo, J. Real-time control of a DC motor using Scilab and RTAI, Universidad del Pais Vasco, España.
[Kle93] Klett, G., Application of fuzzy control in chemical distillation processes, Second IEEE International Conference, 1993, Vol. 1. Page(s):375 – 377.
[LM90] Lee, J.H. and Morari, M., Robust control structure selection and control system design methods applied to distillation column control, 29th IEEE Conference, 1990. Vol.4. Page(s): 2041 - 2046.
[Oga97] Katsuhiko Ogata, Sistemas de control en tiempo discreto, 2ª Ed., Prentice Hall, University of Minnesota, 1997.
[RALVL06] F. Rivas Cruz, C.M. Astorga, R. Longoria, G. Valencia y F.R. López (2006). Desarrollo de una estación de monitoreo y control en línea. Aplicación a una columna de destilación, Congreso nacional de Control Automático, UNAM, México, 2006.
[Sta04] R. Stallman, et. al., GNU Coding Standards , Free Software Foundation, Inc. Boston, USA. 2004.
[SF98] Johan G. Stichlmair and James R. Fair, Distillation, Principles and Practices, Wiley-VCH, USA, 1998.
[Tor05] F.L. Torres Ortiz, Observación y control no lineal de columnas de destilación, Tesis de Maestría, CENIDET, México, 2005.
Apéndice
Apéndice A
INTERFAZ HARDWARE
A Interfaz Hardware
135
A.1 Módulo A
En la tabla A.1 se listan los componentes requeridos para la construcción del modulo, su especificación y su referencia de localización en las figura A.1 y A.2. En la figura A.1 se muestra el diagrama esquemático de conexiones y en la figura A.2 se aprecia la distribución de los componentes antes mencionados. Las tablas A.2, A.3 y A.4 refieren a la asignación de pines en los conectores de entrada, salida y relevadores respectivamente.
Tabla A.1 Lista de componentes utilizados en el modulo A Cant. Descripción Referencia(Ubicación) Especificación
10 Conector de tornillo doble X2(A7), X3(A7), X4(F7), X5(F6) X6(F5), X7(F4), X8(F3), X9(F2) X10(F1), X11(F1)
Wago 508
6 Capacitor cerámico C1_RTD1(C1), C2_RTD1(B2) C1_RTD2(C3), C2_RTD2(B4) C1_RTD3(C5), C2_RTD3(B6)
.01uF a 50V
2 Capacitor electrolítico CV_5(A7), CV_12(A7) 1uF 25V 3 Acondicionador de RTD XTR1(B2), XTR2(B4), XTR3(B6) XTR112, TSSOP-14
3 Resistencia RLIN1_1(A1) RLIN1_2(A3) RLIN1_3(A5)
3 Resistencia RLIN2_1(B1) RLIN2_2(B3) RLIN2_3(B5)
3 Resistencia RZ1(A1), RZ2(A3), RZ3(A5) 100(ohm) 1% ¼ W 3 Resistencia RG1(B1), RG2(B3), RG3(B5) 3 Resistencia RCM1(C1), RCM2(C3), RCM3(C5) 3 Transistor T1_1(C2), T1_2(C4), T1_3(C6) TIP31C 3 Transistor T2_1(A2), T2_2(A4), T2_3(A6) 2N2222 1 Led LED1(D8) 1 Resistencia R_LED(E8) 220(ohm) ¼ W
8 Diodo
DRLY1(E7), DRLY2(E6) DRLY3(E6), DRLY4(E5) DRLY5(E4), DRLY6(E3) DRLY7(E2), DRLY8(E1)
1N4004
8 Resistencia RLY1(D8), RLY2(D7), RLY3(D6) RLY4(D5), RLY5(D4), RLY6(D3) RLY7(D2), RLY8(D1)
100(ohm) 1% ¼ W
8 Relevador 2A@30V REL1(E7), REL2(E6), REL3(E5) REL4(E4), REL5(E3), REL6(E2) REL7(E1), REL8(E0)
DS1E-5V
1 Registros de corrimiento serie REGC(C8) 74LS595
1 Tira pines doble (peine) ENTRADA(C0) 2x13 1 Tira pines doble (peine) SALIDA(C7) 2x7 1 Placa fenólica PF doble cara 7x14 cm
Automatizaación de una coolumna de dest
FIG A.1
tilación
1
Diagrama esq
136
quemático dell modulo A
FFIG A.2 Distr
Tabla A.2 ADERTTTTTRTTTTTRTTTTTNCNCNCNC
Tabla A.3 DEI_TI_TI_TI_TNCI_TNC
ribución de com
Asignación deESCRIPCIONTD_TT 5
5 5
TD_TT 6 6 6
TD_TT 1 1 1
C C C C
Asignación deESCRIPCIONTT 5 TT 6 TT 1 TT 2 C TT 3 C
137
mponentes en
e pines en el coN PIN PIN
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 26
e pines en el co
N PIN PIN1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 1213 14
n el circuito im
onector entradDESCRIPC
RT
RT
RT
SensorPT1
Sensor_FFT1
7459574595_74595_
onector de salDESCRIPC
I_
IGnd
IGnd
mpreso modulo
da (IDE 2x13)CION
TD_I 2 NC
TD_I 3 NC
TD_I 4 NC
r_PT1 1_Gnd FT1_I 1_Gnd _SER _SCK _RCK
lida (IDE 2x7)CION _TT 4
NC I_PT1 d_PT1 I_FT1 d_FT1
NC
A Interfaz Har
o A
)
)
rdware
Automatización de una columna de destilación
138
Tabla A.4 Asignación de función de relevadores (DO) RELEVADOR DESCRIPCION
1 EV1 2 AUX_1 3 G1 4 G2 5 J1 6 J2 7 AUX_2 8 AUX_3
A.2 Módulo B
En la tabla B.1 se listan los componentes requeridos para la construcción del modulo, su especificación y su referencia de localización en la figura B.1 y B.2. En la figura B.1 se muestra el diagrama esquemático de conexiones y en la figura B.2 la distribución de los componentes antes mencionados. Las tablas B.2 y B.3 refieren a la asignación de pines en los conectores de entrada y salida respectivamente.
Tabla B.1 Lista de componentes utilizados en el modulo B Cant. Descripción Referencia(Ubicación) Especificación
2 Conector de tornillo doble X1(A0), X2(A1) Wago 508
5 Capacitor cerámico
CV-12(B0), CV12(B0) CV+12_AMP1(E3) CV-12_AMP1(E4) CV+12_AMP2(D2) CV-12_AMP2(F1)
.1uF a 50V
16 Capacitor electrolítico
C1_1(A8), C2_1(B7), C1_2(A7) C2_2(B6), C1_3(A5), C2_3(B4) C1_4(A4), C2_4(B3), C1_5(A3) C2_5(B2), C1_6(A2), C2_6(B1) C1_7(E8), C2_7(E7) C1_8(E7), C2_8(E6)
1uF 25V
8 Convertidor I/V
RCV1(B7), RCV2(B6) RCV3(B5), RCV4(B4) RCV5(B3), RCV6(B2) RCV7(E7), RCV8(E6)
RCV420, DIP 16
1 Amplificador operacional LT1014(E3) LT1014 1 Amplificador operacional LT1013(E1) LT1013
10 Resistencia
10K1_A(D1), 10K2_A(E1) 10K1_B(E2), 10K2_B(E2) 10K1_1(D3), 10K2_1(D3) 10K1_2(F3), 10K2_2(F3) 10K1_3(f4), 10K2_3(F4)
10.1 K(ohm) 1% ¼ W
5 Resistencia 5_11KA(E1), 5_11KB(F2) 5_11K_1(D3),5_11K_2(E3) 5_11K_3(E4)
5.11 K(ohm) 1% ¼ W
1 Tira pines doble (peine) ENTRADA(C8) 2x7 1 Tira pines doble (peine) SALIDA(C0) 2x5 1 Placa fenólica PF doble cara 7x14 cm
1 Multiplexor triple de 2 canales MUX(E5) 4053
FFIG B.1 Diagra
139
ama esquemáttico del modulo B
A Interfaz Harrdware
Automatiza
ación de una co
FIG B.
Tabla
Tabl
olumna de dest
2 Distribución
a B.2 AsignacDESCRIPIn1_TT5 In2_TT6 In3_TT1 In4_TT2 Gnd5_TT2In5_TT3 Gnd5_TT3
la B.3 AsignaDESCRIP
AmpA1_TTAmpA2_TTAmpA3_TTAmpB1_PTAmpB2_FT
tilación
1
n de compone
ción de pines ePCION PIN
1 3 5 7
2 9 11
3 13
ación de pines CION PIN
T5_TT6 1 T1_TT2 3 T3_TT4 5 T1 7 T1 9
140
ntes en el circ
en el conector N PIN DES
2 4 6 8
10 12 14
en el conector
PIN DES2 SELE4 6 8
10
cuito impreso
de entrada (IDSCRIPCION
In_6 TT4Gnd6_TT4
In7_PT1Gnd7_PT1
In8_FT1Gnd8_FT1
NC
r de salida (IDSCRIPCIONEC_CH_MUX
NCNCNCNC
modulo B
DE 2x7)
DE 2x5)
X C C C C
A Interfaz Hardware
141
A.3 Módulo C
En la tabla C.1 se listan los componentes requeridos para la construcción del modulo, su especificación y su referencia de localización en la figura C.1 y C.2. En la figura C.1 se muestra el diagrama esquemático de conexiones y en la figura C.2 se aprecia la distribución de los componentes antes mencionados. Las tablas C.2 y C.3 refieren a la asignación de pines en los conectores de entrada y salida respectivamente.
Tabla C.1 Lista de componentes utilizados en el modulo C Cant. Descripción Referencia(Ubicación) Especificación
1 Conector de tornillo doble X1(A0) Wago 508
9 Capacitor cerámico C1_1(B7), C1_2(B5), C1_3(B4) C1_4(B2), C1_5(F7), C1_6(F5), C1_7(F4), C1_8(F2), C1_DAC(D3)
.01uF a 50V
8 Capacitor cerámico C2_1(B7), C2_2(B5),C2_3(B4) C2_4(B2), C2_5(E7), C2_6(E5) C2_7(E4),C2_8(E2)
.1uF 12V
1 Capacitor electrolítico C2_DAC(C3) 10uF 12V
8 Convertidor voltaje/corriente
AD694_1(A6), AD694_2(A5) AD694_3(A3), AD694_4(A1) AD694_5(E6), AD694_6(E5) AD694_7(E3), AD694_8(E1)
AD694
1 Convertidor digital-analogico serial DAC(D4) AD5628
16 Diodo
D1_1(B7), D2_1(A7) D1_2(B5), D2_2(A5) D1_3(B4), D2_3(A4) D1_4(B2), D2_4(A2) D1_5(F7), D2_5(E7) D1_6(F5), D2_6(E5) D1_7(F4), D2_7(E4) D1_8(F2), D2_8(E2)
1N4004
1 Tira pines doble (peine) ENTRADA(D8) 2x5 1 Tira pines doble (peine) SALIDA(D0) 2x8 1 Placa fenólica PF doble cara 7x14 cm
Automatizaación de una coolumna de dest
FIG C.1
tilación
1
Diagrama esq
142
quemático del
l modulo C
FFIG C.2 Distr
Tabla C.2 ADE*SYSCDINNCNC
Tabla C.3 DEI1_GnI2_GnI3_GnI4_Gn
ribución de com
Asignación de ESCRIPCIONYNC_AD694LK_AD694 N_AD694
C C
Asignación deESCRIPCION_AUX nd1_AUX _AUX nd2_AUX _AUX nd3_AUX _FV1 nd4_FV1
143
mponentes en
pines en el coN PIN PIN
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
e pines en el co
N PIN PIN1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 1213 1415 16
n el circuito im
nector de entrDESCRIPC
onector de salDESCRIPC
I5Gnd5
IGnd
Gnd
Gnd
mpreso modulo
rada (IDE 2x5CION
NC NC NC NC NC
lida (IDE 2x8)CION 5_PV1 5_PV1 I6_G1 d6_G1 I7_J1 d7_J1 I8_J2 d8_J2
A Interfaz Har
o C
5)
)
rdware
Automatización de una columna de destilación
144
A.4 Módulo D
En la tabla D.1 se listan los componentes requeridos para la construcción del modulo, su especificación y su referencia de localización en la figura D.1 y D.2. En la figura D.1 se muestra el diagrama esquemático de conexiones y en la figura D.2 se aprecia la distribución de los componentes antes mencionados. Las tablas D.2 y D.3 refieren a la asignación de pines en los conectores de entrada y salida respectivamente.
Tabla D.1 Lista de componentes utilizados en el modulo D Cant. Descripción Referencia(Ubicación) Especificación
1 Conector de tornillo doble X1(A0) Wago 508
12 Capacitor cerámico
C1_RTD1(C1), C2_RTD1(B2) C1_RTD2(C3), C2_RTD2(B4) C1_RTD3(C6), C2_RTD3(B7) C1_RTD4(E1), C2_RTD4(E2) C1_RTD5(F3), C2_RTD5(E4) C1_RTD6(F6), C2_RTD6(E7)
.01uF a 50V
1 Capacitor electrolítico CV_12(B0) 1uF 25V
6 Acondicionador de RTD XTR1(A1), XTR2(A4), XTR3(A6) XTR4(D1), XTR5(D4), XTR6(D6) XTR112, TSSOP-14
6 Resistencia RLIN1_1(A1), RLIN1_2(A3) RLIN1_3(A6), RLIN1_4(D1) RLIN1_5(D3), RLIN1_6(D6)
6 Resistencia RLIN2_1(B1), RLIN2_2(B3) RLIN2_3(B6), RLIN2_4(E1) RLIN2_5(E3), RLIN2_6(E6)
6 Resistencia RZ1(A1), RZ2(A3), RZ3(A6) RZ4(D1), RZ5(D3), RZ6(D6) 100(ohm) 1% ¼ W
6 Resistencia RG1(B1), RG2(B3), RG3(B6) RG4(E1), RG5(E3), RG6(E6)
6 Resistencia RCM1(C1), RCM2(C3), RCM3(C6) RCM4(F1), RCM5(F3), RCM6(F6)
6 Transistor T1_1(C1), T1_2(C4) ,T1_3(C6) T1_4(F1), T1_5(F4), T1_6(F6) TIP31C
6 Transistor T2_1(A2), T2_2(A5), T2_3(A7) T2_4(D2), T2_5(D5), T2_6(D7) 2N2222
1 Tira pines doble (peine) ENTRADA(C0) 2x13 1 Tira pines doble (peine) SALIDA(D8) 2x7 1 Placa fenólica PF doble cara 7x14 cm
FIG D.1 Diagra
145
ama esquemáttico del modulo D
A Interfaz Har
rdware
Automatiza
ación de una co
FIG D.
Tabla
Tabl
olumna de dest
2 Distribución
D.2 AsignaciDESCRIPRTD_TT 7TT 7 TT 7 RTD_TT 8TT 8 TT 8 RTD_TT 9TT 9 TT 9 RTD_TT TT 10 TT 10 NC
la D.3 AsignaDESCRIPI_TT 7 I_TT 8 I_TT 9 I_TT 10 NC I_TT 11 NC
tilación
1
n de compone
ión de pines enPCION PIN7 1
3 5
8 7 9
119 13
1517
10 19212325
ación de pines PCION PIN
1 3 5 7 9
1113
146
ntes en el circ
n el conector dN PIN DES
2 4 6 8
10 12 14 16 18 20 22 24 26
en el conector
N PIN DES2 4 6 8
10 12 14
cuito impreso
de entrada (IDSCRIPCION
RTD_TT 11TT 11TT 11
RTD_TT 12TT 12TT 12LI1_I
LI1_GndPDI1_I
PDI_GndNCNCNC
r de salida (IDSCRIPCION
I_TT 12NC
I_LI1Gnd_LI1
I_PDI1Gnd_PDI1
NC
modulo D DE 2x13)
DE 2x7)
A Interfaz Hardware
147
A.5 Módulo E
En la tabla E.1 se listan los componentes requeridos para la construcción del modulo, su especificación y su referencia de localización en la figura E.1 y E.2. En la figura E.1 se muestra el diagrama esquemático de conexiones y en la figura E.2 se aprecia la distribución de los componentes antes mencionados. Las tablas E.2 y E.3 refieren a la asignación de pines en los conectores de entrada y salida respectivamente.
Tabla E.1 Lista de componentes utilizados en el modulo E Cant. Descripción Referencia(Ubicación) Especificación
2 Conector de tornillo doble X1(A0), X2(A1) Wago 508
5 Capacitor cerámico
CV-12(B0), CV12(B0) CV+12_AMP1(E3) CV-12_AMP1(E4) CV+12_AMP2(D2) CV-12_AMP2(F1)
.1uF a 50V
16 Capacitor electrolítico
C1_1(A8), C2_1(B7), C1_2(A7) C2_2(B6), C1_3(A5), C2_3(B4) C1_4(A4), C2_4(B3), C1_5(A3) C2_5(B2), C1_6(A2), C2_6(B1) C1_7(E8), C2_7(E7) C1_8(E7), C2_8(E6)
1uF 25V
8 Convertidor I/V
RCV1(B7), RCV2(B6) RCV3(B5), RCV4(B4) RCV5(B3), RCV6(B2) RCV7(E7), RCV8(E6)
RCV420, DIP 16
1 Amplificador operacional LT1014(E3) LT1014 1 Amplificador operacional LT1013(E1) LT1013
10 Resistencia
10K1_A(D1), 10K2_A(E1) 10K1_B(E2), 10K2_B(E2) 10K1_1(D3), 10K2_1(D3) 10K1_2(F3), 10K2_2(F3) 10K1_3(f4), 10K2_3(F4)
10.1 K(ohm) 1% ¼ W
5 Resistencia 5_11KA(E1), 5_11KB(F2) 5_11K_1(D3),5_11K_2(E3) 5_11K_3(E4)
5.11 K(ohm) 1% ¼ W
1 Tira pines doble (peine) ENTRADA(C8) 2x7 1 Tira pines doble (peine) SALIDA(C0) 2x5 1 Placa fenólica PF doble cara 7x14 cm
1 Multiplexor triple de 2 canales MUX(E5) 4053
Automatizaación de una coolumna de dest
FIG E.1
tilación
1
Diagrama esq
148
quemático dell modulo E
FFIG E.2 Distr
Tabla E.2 DEIn1In2In3In4GnIn5Gn
Tabla E.3DES
AmpAAmpAAmpAAmpBAmpB
ribución de com
Asignación dESCRIPCION1_TT7 2_TT8 3_TT9 4_TT10 nd4_TT10 5_TT11 nd5_TT11
3 Asignación dSCRIPCIONA1_TT7_TT8A2_TT9_TT10A3_TT11_TT1B1_LI1 B2_PDI1
149
mponentes en
e pines en el cN PIN PIN
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 1213 14
de pines en el
PIN PIN1 2
3 42 5 6
7 89 10
n el circuito im
conector entraDESCRIPC
In6_Gnd6_
In7Gnd7In8_
Gnd8_
conector salidN DESCRIP
SELEC_C
0
mpreso modulo
ada (IDE 2x7) CION _TT12 _TT12 7_LI1 7_LI1 _PDI1 _PDI1
NC
da (IDE 2x5) PCION H_MUX
NC NC NC NC
A Interfaz Har
o E
rdware
Automatización de una columna de destilación
150
A.6 Módulo F
En la tabla F.1 se listan los componentes requeridos para la construcción del modulo, su especificación y su referencia de localización en la figura F.1 y F.2. En la figura F.1 se muestra el diagrama esquemático de conexiones y en la figura F.2 se aprecia la distribución de los componentes antes mencionados. Las tablas F.2 y F.3 refieren a la asignación de pines en los conectores de entrada y salida respectivamente.
Tabla F.1 Lista de componentes utilizados en el modulo F Cant. Descripción Referencia(Ubicación) Especificación
2 Conector de tornillo doble X1(A0), X2(A1) Wago 508
4 Capacitor cerámico C1_RTD1(C2), C2_RTD1(B3) C1_RTD2(C4), C2_RTD2(B5) .01uF a 50V
2 Capacitor electrolítico C1AMP(C7),C2AMP_1(C8) .1uF 50V
11 Capacitor electrolítico
CV5(B0), CV12(B0), CV-12(B1) C1_1(E2), C2_1(E1), C1_2(E3) C2_2(E2), C1_3(E5), C2_3(E4) C1_4(E6),C2_4(E5)
1uF 25V
4 Convertidor I/V RCV1(E1), RCV2(E2) RCV3(E4), RCV4(E5) RCV420, DIP 16
2 Acondicionador de RTD XTR1(B2), XTR2(B5) XTR112, TSSOP-14 2 Resistencia RLIN1_1(A2), RLIN1_2(A4) 2 Resistencia RLIN2_1(B2), RLIN2_2(B4) 2 Resistencia RZ1(B2), RZ2(B4) 100(ohm) 1% ¼ W 2 Resistencia RG1(B2), RG2(B4) 2 Resistencia RCM1(C2), RCM2(C4) 2 Transistor T1_1(C2), T1_2(C4) TIP31C 2 Transistor T2_1(A3), T2_2(A5) 2N2222 1 Led LED1(A7) 1 Resistencia R_LED(A8) 220(ohm) ¼ W 1 Amplificador operacional LT1014(C7) LT1014
8 Resistencia
10K1_1(B7), 10K2_1(B7) 10K1_2(D7), 10K2_2(D7) 10K1_3(D8), 10K2_3(D8) 10K1_4(B8), 10K2_4(B8)
10.1 K(ohm) 1% ¼ W
4 Resistencia 5_11K_1(C7), 5_11K_2(D7) 5_11K_3(D8), 5_11K_4(C8) 5.11 K(ohm) 1% ¼ W
1 Tira pines doble (peine) ENTRADA(D0) 2x5 1 Tira pines doble (peine) SALIDA(E7) 2x5 1 Placa fenólica PF doble cara 7x14 cm
FFIG F.1 Diagra
151
ama esquemáttico del modulo F
A Interfaz Harrdware
Automatiza
ación de una co
FIG F.
Tab
Tab
olumna de dest
2 Distribución
bla F.2 AsignaDESCRIPRTD_TT OTT OPT1 TT OPT1 I_OPT1 Gnd_OPT
bla F.3 AsignDESCRIPAmp_TTOAmp_TTOAmp_OPTAmp_OPTNC
tilación
1
n de compone
ación de pinesPCION PINOPT1 1
3 5
7 T1 9
nación de pinesPCION PINOPT1 1 OPT2 3 T1 5 T2 7
9
152
ntes en el circ
s en el conectoN PIN DES
2 RT4 6 8
10
s en el conectoN PIN DES
2 4 6 8
10
cuito impreso
r entrada (IDSCRIPCIONTD_TT OPT2
TT OPT2TT OPT2
I_OPT2Gnd_OPT2
or salida (IDESCRIPCION
NCNCNCNCNC
modulo F E 2x5)
E 2x5)
A.
En espse distde putilsec
Ca1
2
1
5
11
7 Placa
la tabla ADpecificación ymuestra el tribución de pines en el clizados en esciones corre
ant. 1 Conecto
2 Conectocuádrup
1 Conecto
5 Tira pin
1 Conecto1 Placa fe
-DAQ
.1 se listan ly su referendiagrama elos compon
conectores dste proyectoespondientes
Tabla ADDescripción
or de tornillo dor de ple or de tornillo sé
nes dobles
or NI enolica doble c
FIG
los componencia de locali
squemático nentes antes de la tarjeta d. Informació
s.
D.1 Lista de co
doble DIOtornillo V_A
éptuple V5GMOMOX1
car PF
G AD.1 Diagr
153
entes requeriización en lade conexiomencionado
de adquisicióón de los con
omponentes utRefe
O
ACH, AIGND
GND OD_B,MOD_COD_F,CON_DO
rama esquemá
idos para la a figura AD.ones y en laos. La tabla ón, los marcnectores IDE
tilizados en la erencia
C,MOD_E O
ático de placa-
construcción.1 y AD.2. Ea figura ADAD.2 refiere
cados con letEs pueden e
placa-DAQ
Wago
Wago
Wago
2x5
68 pi10x1
-DAQ
A Interfaz Har
n del conectoEn la figura D.2 se aprece a la asigntra gris no funcontrarse e
Especificacióno 508
o 508
o 508
nes 0 cm
rdware
or, su AD.1 cia la
nación fueron en sus
n
Automatiza
Conector
TDAQ TDAQ
TDAQ TDAQ
MOD_C MOD_C
NC MOD_C
TDAQ TDAQ TDAQ
MOD_F TDAQ
MOD_E MOD_E MOD_E
ación de una co
F
Tabla ADPuerto
FREQ_OUTGPCTR0_OU
PFI9/GPCTR0_GDGND
PFI6/WFTRIGPFI5/UPDAT
DGND +5v
DGND PFI1/TRIG2PFI0/TRIG1
DGND DGND
+5V DGND DIO6 DIO1
DGND DIO4
Reserved Reserved Reserved AICH15 AIGND AICH6 ACH13 AIGND ACH4
AIGND ACH3
olumna de dest
FIG AD.2 Dis
D.2 AsignaciónSeñ
T UT GATE
G TE
2
AD56AD5628
AD5628
VOAIG
VOT
AIG
A
tilación
1
stribución de c
n de pines en eñal Pin
x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7
+5V 8 DGND 9
x 10 x 11 x 12 x 13
+5V 14 DGND* 15
628_DIN 16 8_SCLK 17
x 18 8_SYNC 19
x 20 x 21 x 22
OPT_A1 23 GND_A1 24 OPT_A2 25 TT OPT1 26 GND_A2 27
PDI1 28 AIGND* 29
LI1 30
154
componentes e
el conector dePin Seña35 x 36 x 37 x 38 x 39 x 40 x 41 x 42 x 43 x 44 x 45 x 46 x 47 DIO_AUX48 74595_SE49 74595_SC50 x 51 74595_RC52 SELEC_M53 x 54 x 55 x 56 x 57 TT OPT258 IOPT1 59 x 60 IOPT2 61 TT5_TT662 ISENS*63 TT1_TT264 x
en la placa-DA
e la tarjeta adqal
PFI8/GPPFI7/
GPPFI4/G
PFI3/GPPFI2
EXS
X ER CK
CK MUX
2
6
2
AQ
quisitora NI Puerto DGND DGND
PCTR0_SOURCE /STARTSCAN
DGND PCTR1_OUT GPCTR1_GATE PCTR1_SOURCE 2/CONVERT
DGND XTSTROBE SCANCLK
DIO3 DIO7 DIO2
DGND DIO5 DIO0
DGND Reserved Reserved AIGND ACH7
ACH14 AIGND ACH5
ACH12 ISENS ACH11 AIGND
Conector
TDAQ CON_DO CON_DO
CON_DO
MOD_B&E
MOD_F MOD_F
MOD_F MOD_B ISENS
MOD_B
A Interfaz Hardware
155
MOD_E ACH10 TT11_TT12 31 65 TT3_TT4 ACH2 MOD_B TDAQ AIGND AIGND 32 66 PT1 ACH9 MOD_B
MOD_E ACH1 TT9_TT10 33 67 AIGND AIGND TDAQ MOD_E ACH8 TT7_TT8 34 68 FT1 ACH0 MOD_B
A.8 Placa-columna
En la tabla AC.1 se listan los componentes requeridos para la construcción del conector, su especificación y su referencia de localización en la figura AC.1 y AC.2. En la figura AC.1 se muestra el diagrama esquemático de conexiones y en la figura AC.2 se aprecia la distribución de los componentes antes mencionados. Información de los conectores IDEs pueden encontrarse en sus secciones correspondientes.
Tabla AC.1 Lista de componentes utilizados en placa-columna Cant. Descripción Referencia Especificación
1 Conector de tornillo doble X3 Wago 508
2 Conector de tornillo cuádruple X1, X2 Wago 508
2 Tira pines dobles CONEXION_EMODULO_A CONEXION_EMOUDLO_D 2x13
1 Tira pines dobles CONEXION_SMODULO_C 2x8
84 Pines para de sustitución de los conectores
ASL1,ASL1,ASL1,ABASE,AR1,AR2 BSL1,BSL1,BSL1,BBASE,BR1,BR2 Pin
1 Placa fenólica doble car Placa-columna 10x15 cm
Automatizaación de una co
FIG
olumna de dest
G AC.1 Diagra
tilación
1
ama esquemát
156
tico de la placa
a-columna Coolumna
Figura ACC.2 Distribució
157
ón de componnentes en la plaaca-columna
A Interfaz Har
rdware
Anexos
Anexo A
MANUAL DE INSTALACIÓN
MANUAL DE INSTALACIÓN
Sistema CACSD para la planta
piloto de destilación de cenidet
Este manual describe la instalación de un CACSD conformado principalmente por el
sistema operativo Linux-RTAI y Scilab/Scios-RaiLab.
En este manual se siguen las siguientes convenciones tipográficas:
Negritas El texto en negritas indica que el texto forma parte de un
elemento de la interfaz gráfica (el título de una ventana, el
texto en un menú, el texto en un botón, opciones…).
Cursiva Las cursivas denotan énfasis o un nuevo concepto.
Negrita Cursiva Este estilo indica el nombre de una aplicación. Monoespaciadas Este estilo indica que la palabra o frase se debe introducir en
una terminal y pulsar la tecla <Enter> para ejecutar la orden.
También denota secciones de código, ejemplos de programas
y sintaxis. Monoespaciadas
cursivas El texto en este estilo representa el texto desplegado en una
terminal Linux (mensajes de error, respuesta a una orden). Ruta Este estilo indica el nombre de un archivo, directorio, ruta o
nombre de aplicación en el sistema de archivos.
dirección de Internet Este estilo indica una dirección de Internet.
Automatización de una columna de destilación
2
Índice
1 REQUERIMIENTOS ............................................................................................................................. 3
2 INSTALAR MESA Y EFLTK ............................................................................................................... 3
2.1 MESA .................................................................................................................................................. 3
2.2 EFLTK .................................................................................................................................................. 4
3 KERNEL LINUX-RTAI ........................................................................................................................ 5
4 MÓDULOS RTAI .................................................................................................................................. 6
5 SCILAB/SCICOS ................................................................................................................................... 7
6 RTAI-LAB Y XRTAILAB ..................................................................................................................... 8
7 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ....................................................................................... 9
8 CSERVIDOR ........................................................................................................................................ 14
9 CPILOTO .............................................................................................................................................. 14
10 BLOQUES DE SCICOS ...................................................................................................................... 14
MANUAL DE INSTALACIÓN
3
Requerimientos La instalación se realizó sobre una PC con procesador Intel Pentium III a 2 MHZ y 256 MB
en RAM. Como sistema operativo se empleó la distribución de Linux Fedora Core 5, para
otra distribución se pueden requerir pasos adicionales. Todos los paquetes necesarios se
distribuyen en código fuente y requieren tener instalado el compilador GCC con soporte
para C++, la utilidad make y el paquete de desarrollo del kernel (kernel developer). Otras
librerías requeridas son compat-gcc, compat-g++, gettext, flex, tcl y tk. Aunque algunos
paquetes necesarios se encuentran disponibles en formato binario, se recomienda realizar la
instalación a partir del código fuente, ya que sus programas de configuración de software
detectan el tipo de máquina para adaptar el código fuente de manera que utilicen las
características disponibles en la computadora y sistema operativo y evitar otras que generan
problemas.
Para el buen funcionamiento en conjunto de todos los paquetes de software es
importante emplear la misma versión del compilador GCC, preferentemente la que viene
con la distribución de Linux. El código fuente de cada paquete se colocó en una carpeta
dentro del directorio /usr/src. Se requieren privilegios de administrador para realizar los
pasos de instalación.
Instalar Mesa y EFLTK EFLTK es una librería de primitivas gráficas desarrolladas específicamente para elaborar
interfases gráficas simples y con uso mínimo de memoria. EFLTK es ligera y rápida debido
a que usa llamadas a OpenGL. La librería Mesa realiza las llamadas a OpenGL si son
soportadas por la tarjeta de video y, si no están soportadas, las emula en software. Ambas
librerías son requeridas por RTAI-Lab.
Mesa 1. Descargar el archivo MesaLib-6.5.2.tar.bz2 de http:///www.mesa3d.org
2. Descomprimir el archivo en el directorio /usr/src #tar –xvjf MesaLib-6.5.2.tar.bz2 –C /usr/src
Automatización de una columna de destilación
4
3. Entrar al directorio que contiene el código fuente descomprimido #cd /usr/src/MesaLib-6.5.2
4. Configurar la instalación según nuestro sistema #make linux-x86
5. Instalar #make install
Efltk 1. Descargar el archivo efltk-2.0.6.tar.bz2 de http://ede.sourceforge.net
2. Descomprimir el archivo en el directorio /usr/src #tar –xvjf efltk-2.0.6.tar.bz2 –C /usr/src
3. Entrar al directorio que contiene el código fuente descomprimido #cd /usr/src/efltk-2.0.6
4. El código fuente de efltk no es compatible con el compilador GCC 4.1.1 que viene con la distribución de fedora y otras distribuciones recientes. Para compilar e instalar este paquete se emplea el compilador gcc 3.4 definiendo las variables CC y CXX
#./configure CC=gcc34 CXX=g++34
#./emake --multithread CC=gcc34 CXX=g++34
5. Instalar #./emake install
6. Editar el archivo /etc/ld.so.conf y agregar la línea /usr/local/lib
7. Ejecutar /sbin/ldconfig para cargar las librerías de efltk
8. Para verificar la instalación se pueden probar los programas que se encuentran dentro del directorio test.
#cd test
#./hello
MANUAL DE INSTALACIÓN
5
Kernel Linux-RTAI 1. Descargar un kernel Linux estándar (versión “vanilla”) de http://www.kernel.org.
En nuestro caso linux-2.6.15.2.tar.bz2. RTAI sólo soporta kernels estándar, por lo que es importante descargar un kernel en lugar del que viene con las distribuciones de Linux, ya que estos generalmente son modificador por el distribuidor.
2. Descomprimir el archivo, preferentemente en el directorio /usr/src #tar –xvjf linux-2.6.15.2.tar.bz2 –C /usr/src
3. Descargar el archivo rtai-3.4.0.tar.bz2 de http://www.rtai.org
4. Descomprimir el archivo dentro del directorio /usr/src #tar –xvjf rtai-4.0.tar.bz2 –C /usr/src
5. Ingresar al directorio del código fuente de Linux #cd /usr/src/linux-2.6.15.2
6. Aplicar el parche de RTAI al código fuente #patch –p1 < /usr/src/rtai/base/arch/i386/patches/hal-
linux-2.6.15-i386-r12.patch
7. Configurar el kernel #make gconfig
Dentro de la ventana de configuración, hay que aplicar los siguientes cambios:
• Code maturity level options: Activar la opción “Prompt for development” para permitir emplear características y controladores en fase de prueba.
• General setup: Poner la opción “Local versión” a –rtai para diferenciar el kernel en tiempo real de los demás kernels instalados en la computadora.
• Loadable modules support: Activar las opciones “Enable module support”, “Module unloading” y “Automatic module loading”. Éstas opciones permiten emplear módulos como parte del kernel, descargarlos manualmente y cargarlos conforme se requieren. Desactivar las opción “Module versioning support”.
• Processor type and features: Activar la opción “Generis x86 Compatible” y elegir el procesador instalado en la PC. Activar “Preemptible Model / Preemptible kernel (Low-Latency Desktop)” para reducir la latencia del kernel y permitir desalojar procesos de baja prioridad aún si se encuentran ejecutando una llamada al sistema. Desactivar la opción “User register arguments”.
Automatización de una columna de destilación
6
• Power Management options: Estas opciones permiten que partes de la computadora entren en estado de bajo consumo de energía. Activar “ACPI Support”. Desactivar “APM” y “CPU Frequency scaling”.
• Character devices: Activar “AGP Support” y “Direct Rendering Manager Support”.
• Sound: Mantener activado el soporte para sonido ya que puede ser una forma de generar alarmas.
• Kernel hacking: Activar la opción “Kernel debugging / use 4Kb for kernel stacks instead of 8Kb”. Los controladores de tarjetas de adquisición de datos de National Instrument trabajan con pilas de 4 Kb. Ésta opción además permite ejecutar más hilos en un sistema.
• Con el objetivo de tener un kernel reducido, se pueden desactivar algunas características que no se requieren en nuestro sistema tales como Memory Technology Devices, Amateur Radio, IRda, Bluthood, ISDN subsystem, Telephony support, I2C support, Dallas’s 1-wire bus, Misc Devices, Old CD-ROM drivers, FireWire, Multimedia devices y Ghaphics support. Así como algunos sistemas de archivos, dispositivos SCSI y dispositivos de red que no son necesarios.
• Fedora Core requiere tener activadas las opciones “RAM Disk Support”, “Multi-device Support (RAID and LVM)”
Guardar los cambios y salir de la ventana de configuración.
8. Compilar el kernel #make
9. Compilar los módulos del kernel #make modules_install
10. Instalar el nuevo kernel #make install
11. Reiniciar la PC e ingresar en el Nuevo kernel Linux
Módulos RTAI 1. Ingresar al directorio con el código fuente de RTAI
#cd /usr/scr/rtai
MANUAL DE INSTALACIÓN
7
2. Configurar la instalación #./configure
#make gconfig
En la ventana que aparece hacer los siguientes cambios:
Installation directory: /usr/realtime
Kernel source directory: /usr/src/linux-2.6.15.2
Seleccionar la opción RTAI Lab
Guardar los cambios y salir de la ventana de configuración.
3. Compilar #make
4. Instalar #make install
5. Editar el archivo /etc/profile y agregar la línea PATH=$PATH:/usr/realtime/bin
Scilab/Scicos 1. Descargar el archivo scilab-4.1-src.tar.gz de http://www.scilab.org
2. Descomprimir el archivo #tar –xvzf scilab-4.1-src.tar.gz
3. Ingresar al directorio que contiene el código fuente de scilab #cd scilab-4.1
4. Configurar la instalación #./configure –without-java
5. Compilar e instalar #make all
6. Crear una entrada en el directorio /usr/local para scilab #ln –s /usr/src/scilab-4.1 /usr/local/scilab-4.1
7. Editar el archivo /etc/profile
Automatización de una columna de destilación
8
#kwrite /etc/profile
8. Agregar el directorio /usr/src/scilab-4.1/bin a la variable PATH para poder ejecutar scilab desde cualquier directorio
PATH=$PATH:/usr/src/scilab-4.1/bin
9. Para comprobar la instalación ejecutar Scilab, con lo que aparecerá la ventana principal de scilab.
#scilab
RTAI-Lab y Xrtailab 1. Ingresar al directorio que contiene el código fuente de RTAI-Lab
#cd /usr/src/rtai/rtai-lab/scilab/macros
2. Editar el archive Makefile y modificar la versión de scilab SCILAB_VERSION = 4.1
3. Instalar #make install
4. Editar el archivo de inicio de Scilab #cd
#kwrite .Scilab/scilab-4.1/.scilab
5. Agregar las siguientes líneas para que la librería de bloques y el menú de RTAI se agreguen a Scicos cada vez que se inicie Scilab
load(‘SCI/macros/RTAI/lib’)
%scicos_menu($+1)=[’RTAI’,
’RTAICodeGen’,’Set Tarjet’]
Scicos_pal($+1,:)=[’RTAI-Lib’,
’SCI/macros/RTAI/RTAI-
Lib.cosf’]
Para compilar y ejecutar programas en tiempo real es necesario ingresar en el kernel
Linux-RTAI y cargar los módulos de RTAI. Para tal fin se creó el archivo loadmod.sh
con el siguiente contenido:
MANUAL DE INSTALACIÓN
9
#!/bin/sh
insmod /usr/realtime/modules/rtai_hal.ko
insmod /usr/realtime/modules/rtai_up.ko
insmod /usr/realtime/modules/rtai_fifos.ko
insmod /usr/realtime/modules/rtai_sem.ko
insmod /usr/realtime/modules/rtai_mbx.ko
insmod /usr/realtime/modules/rtai_msg.ko
insmod /usr/realtime/modules/rtai_ntrpc.ko
ThisNode=”127.0.0.1”
insmod /usr/realtime/modules/rtai_shm.ko
insmod /usr/realtime/modules/rtai_leds.ko
insmod /usr/realtime/modules/rtai_signal.ko
insmod /usr/realtime/modules/rtai_tasklets.ko
En el archivo /etc/profile se agrega la línea /root/loadmod.sh para ejecutar
dicho script cada vez que se inicie el kernel Linux-RTAI.
Tarjeta de adquisición de datos National Instruments proporciona los controladores de sus tarjetas de adquisición de datos
para Linux en el paquete NI-DAQmxBase que incluye una API (Application Programming
Interfaces) para crear aplicaciones de adquisición de datos para Linux en lenguaje C/C++.
NI-DAQmxBase no es de código abierto y software libre como se describe en la licencia
GPL.
Aunque National Instruments proporciona soporte para Red Hat Enterprise Linux, su
software presenta problemas de instalación en la distribución Fedora Core, por lo que son
necesarios algunos pasos adicionales a los indicados en su manual de instalación. Para
remediar algunos problemas de instalación es necesario instalar antes el paquete NI-KAL e
instalarlo.
Para instalar NI-KAL hay que seguir los siguientes pasos:
1. Descargar el archivo NIKAL13.iso de http://digital.ni.com/softlib.nsf/websearch/
2. Montar la imagen iso en el sistema de archivos
Automatización de una columna de destilación
10
#mkdir /mnt/iso
#mount NIKAL13.iso /mnt/iso –o loop
3. Copiar el contenido al directorio /usr/src/NIKAL13, esto es necesario ya que es necesario modificar algunos archivos
#mkdir /usr/src/NIKAL13
#cp –r /mnt/iso/* /usr/src/NIKAL13
4. Ingresar al directorio /usr/src/NIKAL23 y ejecutar el instalador #cd /usr/src/NIKAL13
#./INSTALL
Si el proceso de instalación termina con el siguiente error: "Kernel source does not appear to be configured for the running kernel, Configuration of kernel
source is required to continue installation.", es necesario ingresar en el
directorio que contiene el código fuente de Linux y reconfigurar los archivos de
declaraciones de los módulos #cd /usr/src/Linux
#make cloneconfig
#make moduler_prepare
En Fedora Core 5 aparece el mensaje de error “The version of gcc in the path does not match the version of gcc used to compile the currently running
kernel” que se debe a la forma en que se compara el nombre y versión que muestra el
compilador gcc y el que indica el kernel. Para solucionar este problema se requiere editar
el archivo installerUtility.sh que se ejecuta durante el proceso de instalación #kwrite /usr/src/NIKAL13/bin/installerUtility
Localizar el mensaje mencionado dentro del archivo y comentar la línea return
$statusFail (línea 140) agregándole el caracter “#” al inicio if [ "$currentGCCVersion" != "$kernelGCCVersion" ]; then
echo"******************ERROR**************************"
echo "*The version of gcc in the path does not match the
version of cc used to *"
echo "*compile the currently running kernel. This can
cause
MANUAL DE INSTALACIÓN
11
unpredictable *"
echo "*behavior in kernel drivers and should be fixed.
*"
echo "* gcc version: $currentGCCVersion
*"
echo "* kernel compiled with: $kernelGCCVersion
*"
echo "********************* ERROR ********************"
#return $statusFail
Fi
Habiendo solucionado ambos problemas, repetir el paso 4 y reiniciar el ordenador.
Una vez que se tiene instalado el paquete NI-KAL se procede a instalar los
controladores de la tarjeta. Para instalar NI-KAL hay que seguir los siguientes pasos:
1. Descargar el archivo nidaqmxbase-2.1.0.iso de http://digital.ni.com/softlib.nsf/websearch/
2. Montar la imagen iso en el sistema de archivos #mount NIKAL13.iso /mnt/iso –o loop
3. Copiar el contenido al directorio /usr/src/nidaqmxbase-2.1.0, esto es necesario ya que es necesario modificar algunos archivos
#mkdir /usr/src/nidaqmxbase-2.1.0
#cp –r /mnt/iso/* /usr/src/nidaqmxbase-2.1.0
4. Ingresar al directorio /usr/src/nidaqmxbase-2.1.0/nivisa y ejecutar el instalador #cd /usr/src/nidaqmxbase-2.1.0/nivisa
#./INSTALL
5. Ingresar al directorio /usr/src/nidaqmxbase y ejecutar el instalador #cd /usr/src/nidaqmxbase-2.1.0
#./INSTALL
6. Seguir las instrucciones del instalador y reiniciar el ordenador.
Automatización de una columna de destilación
12
Para emplear la tarjeta de adquisición en el sistema Linux estándar y en el sistema de
tiempo real es necesario configurar la tarjeta cada vez que se cambie de kernel. Para esto
hay que ejecutar el script /usr/local/natinst/nikal/bin/updateNIDrivers. Este
script compila e instala los controladores de la tarjeta según el kernel en que se ejecute.
Para que los cambios surtan efecto es necesario reiniciar el ordenador. Es necesario tener el
código fuente del kernel en el que se desea emplear la tarjeta instalado y configurado
correctamente.
Si la instalación de los controladores termina con el mensaje de error “The version of gcc in the path does not match the version of gcc used to compile the
currently running kernel” al igual que con NI-KAL, hay que editar el archivo
installerUtility.sh que se encuentra dentro del directorio /usr/local/natinst/nikal/bin
#kwrite /usr/local/natinst/nikal/bin/installerUtility
localizar el mensaje mencionado dentro del archivo y comentar la línea return
$statusFail (línea 350). Guardar los cambios y ejecutar nuevamente el script. if [ "$currentGCCVersion" != "$kernelGCCVersion" ]; then
echo "****************ERROR *************************"
echo "*The version of gcc in the path does not match the
version of cc used to *"
echo "*compile the currently running kernel. This can cause
unpredictable *"
echo "*behavior in kernel drivers and should be fixed. *"
echo "* gcc version: $currentGCCVersion *"
echo "* kernel compiled with: $kernelGCCVersion *"
echo "********************** ERROR *************************"
#return $statusFail
Fi
Para comprobar que se tiene instalada la tarjeta y que se reconoce por Linux se cuenta
con scripts localizados dentro del directorio /usr/local/natinst/nidaqmxbase/bin #cd /usr/local/natinst/nidaqmxbas/bin
MANUAL DE INSTALACIÓN
13
#lsdaq
-----------------------------------------
Detecting National Instruments DAQ Devices
Fount the following DAQ Devices
NI 6023E: “Dev1” (PXI5::4::INSTR)
------------------------------------------
#daqlistdevices
NI 6023E: “Dev1” (PXI5::4::INSTR)
Dentro de este directorio se encuentra la aplicación nidatalogger que permite adquirir
señales de la tarjeta de adquisición de datos para comprobar su buen funcionamiento
(Figura 16). Permite probar y familiarizarse con algunas opciones y parámetros de la tarjeta
como los canales analógicos, muestras a adquirir por cana, y la frecuencia de muestreo.
Permite además guardar los valores adquiridos en un archivo para un posterior análisis.
Figura 16. La aplicación nidatalogger incluida en NI-DAQmxBase
Automatización de una columna de destilación
14
CServidor La aplicación CServidor se proporciona en forma binaria y en código fuente. Para instarla
extraiga los archivos del paquete en el directorio /usr/local #tar –xvf cservidor.tar –C /usr/src
La aplicación incluye el script c.sh que puede ser útil para recompilar la aplicación #./c.sh cservidor
CPiloto La aplicación cpiloto se proporciona como un proyecto para el entorno de desarrollo
KDevelop desde el cuál se puede compilar y ejecutar. Para instalar dicha aplicación
extraiga los archivos del paquete cpiloto.tar en el directorio /usr/local #tar –xvf cpiloto.tar –C /usr/local
El archivo binario se localiza en el directorio /usr/local/cpiloto/bin y su código fuente
en el directorio /usr/local/cpiloto/src. Para compilar la aplicación:
1. Ingrese al directorio del código fuente #cd /usr/local/cpiloto/src
2. Configure el instalador #./configure
3. Compile el programa #make
Bloques de Scicos Los bloques que conforman la interfaz con Scilab/Scicos se proporcionan en código fuente.
Para emplearlos extraiga los archivos del paquete icolumna.tar en el directorio de trabajo
del usuario #tar –xvf ccolumna.tar –C /home/usuario
MANUAL DE INSTALACIÓN
15
Dentro del paquete se incluye el archivo init.sci que debe ser ejecutado dentro del
entorno scilab para cargar la paleta columna y tener disponibles los bloques. Si se desea se
puede editar el archivo de inicio de Scilab #cd
#kwrite .Scilab/scilab-4.1/.scilab
y agregar la siguiente línea para que la librería de bloques se cargue cada vez que se inicie
Scilab exec(‘init.sci’)
Anexo B
MANUAL DE USUARIO
MANUAL DE USUARIO
Interfaz gráfica de la planta piloto
de destilación de cenidet
Este manual describe el uso de las aplicaciones para el monitoreo y control de la columna
de destilación, sus características y funcionamiento desde el punto de vista del usuario
final. Se centra en el uso del sistema y las aplicaciones ya instaladas. El procedimiento de
instalación se describe en el “manual de instalación”.
En el manual se siguen las siguientes convenciones tipográficas:
Negritas El texto en negritas indica que el texto forma parte de un
elemento de la interfaz gráfica (el título de una ventana, el
texto en un menú, el texto en un botón, opciones…). Ejemplo:
Para mostrar la ventana Lazos de control abra el menú control
y seleccione la opción lazos de control.
Cursiva Las cursivas denotan énfasis o un nuevo concepto.
Negrita Cursiva Este estilo indica el nombre de una aplicación de usuario final.
Ejemplo: La aplicación cpiloto permite monitorear y controlar
la planta de destilación.
Automatización de una columna de destilación
2
Monoespaciadas Este estilo indica que la palabra o frase se debe introducir en
una terminal y pulsar la tecla <Enter> para ejecutar la orden.
También denota secciones de código, ejemplos de programas
y sintaxis. Ejemplo: La orden cservidor inicia la
aplicación desde una terminal.
Monoespaciadas
cursivas El texto en este estilo representa el texto desplegado en una
terminal Linux (mensajes de error, respuesta a una orden).
Ejemplo: Cuando la aplicación haya iniciado mostrará en
pantalla el mensaje Servidor iniciado.
<> Estos símbolos encierran el nombre de teclas del teclado. Si
dos teclas se separan por el símbolo + indica que deben pulsar
simultáneamente. Ejemplo: para enviar una señal SIGEND
presione las teclas <Ctrl+C>.
Ruta Este estilo indica el nombre de un archivo, directorio, ruta o
nombre de aplicación en el sistema de archivos. Ejemplo: Los
archivos de registro se guardarán por omisión en el directorio /home/cpiloto.
MANUAL DE USUARIO
3
Índice
1 INICIO .................................................................................................................................................... 4
2 CSERVIDOR .......................................................................................................................................... 4
2.1 ARRANQUE .......................................................................................................................................... 5
2.2 TERMINAR ........................................................................................................................................... 7
3 CPILOTO ............................................................................................................................................... 8
3.1 INICIO DE LA APLICACIÓN CPILOTO ............................................................................................................ 8
3.2 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO ...................................................................................................................... 9
3.3 OPCIONES DEL MENÚ .......................................................................................................................... 10
3.3.1 Conectar................................................................................................................................. 11
3.3.2 Desconectar ........................................................................................................................... 12
3.3.3 Preferencias ........................................................................................................................... 12
3.3.4 Salir ........................................................................................................................................ 14
3.3.5 Control ................................................................................................................................... 15
3.3.6 Lazos de control ..................................................................................................................... 16
3.3.7 Programación de apertura y cierre de la electroválvula de reflujo ....................................... 20
3.3.8 Diagramas histórico ............................................................................................................... 21
3.3.9 Archivo de historial ................................................................................................................ 23
3.3.10 Ayuda ..................................................................................................................................... 23
3.4 EJEMPLO DE OPERACIÓN ....................................................................................................................... 24
Automatización de una columna de destilación
4
Inicio Para el uso de la planta piloto de destilación del cenidet se tiene un sistema de control
asistido por computadora que incluye un sistema operativo Linux en tiempo, una
aplicación para interactuar con la tarjeta de adquisición de datos, una interfaz de usuario y
una plataforma de desarrollo para implementar sistemas de control. En este manual se
describen el uso de las siguientes aplicaciones:
• cservidor • cpiloto • Scicos
Para utilizar estas aplicaciones es necesario iniciar sesión en el sistema operativo
configurado para funcionar en tiempo real.
CServidor La aplicación cservidor proporciona la interfaz entre la tarjeta de adquisición de datos y los
programas que deseen acceder a ella como se muestra en la Figura 0.1. Realiza la
adquisición de datos y los pone al alcance de otras aplicaciones mediante archivos de
tubería como medio de comunicación.
MANUAL DE USUARIO
5
Tarjeta de Adquisición de datos
Interfaz electrónica
CServidor
Aplicaciones de monitoreo y control
Planta piloto de destilación
Figura 0.1. La aplicación cservidor y su interacción con los demás módulos
Arranque Para iniciar la aplicación, desde una terminal Linux introduzca la orden cservidor. Es
necesario iniciar la aplicación con privilegios de administrador ya que su ejecución se
planifica con la máxima prioridad proporcionada por el sistema. Por defecto realiza la
adquisición de datos con un periodo de muestreo de 0.2 segundos, para cambiar el periodo
de muestreo emplee el parámetro –t seguido del periodo de muestreo deseado, por
ejemplo: #cservidor –t 0.5
Utilice el parámetro –h para obtener información útil de cómo iniciar esta aplicación.
Durante su ejecución presenta mensajes de diagnóstico en pantalla según las acciones
que realiza. Los mensajes se presentan en color de acuerdo con la Tabla 0.1.
Tabla 0.1 Identificación del tipo de mensajes mostrados por la aplicación cservidor.
Color Tipo de mensaje
Verde Operación de inicio y configuración de la tarjeta de
adquisición de datos
Automatización de una columna de destilación
6
Negro Enviando información del estado del proceso
Azul Recibo de instrucción
Amarillo Interacción con la tarjeta de adquisición de datos
Rojo Ha ocurrido un error
Al iniciar realiza las siguientes acciones:
• Carga los controladores de la tarjeta de adquisición de datos • Configura los canales de entrada analógicos para recibir señales entre -5 y +5 volts • Configura los canales digitales como señales de salida • Crea los archivos que sirven como canal de comunicación con otras aplicaciones
Si ocurre un error en éstos pasos termina su ejecución. En tal caso, verifique tener
privilegios de administrador y haber iniciado en el sistema Linux en que se instaló la tarjeta
de adquisición de datos (Linux RTAI).
Terminadas las tareas de configuración se muestra el mensaje servidor iniciado
como se ilustra en la Figura 0.2.
MANUAL DE USUARIO
7
Figura 0.2 Inicio de la aplicación cservidor.
Una vez iniciada, la aplicación se queda en espera recibir mensajes para comunicarse
con las aplicaciones que deseen acceder a la tarjeta de adquisición de datos. La definición
de dicha estructura, así como la definición de los archivos de comunicación y las
enumeraciones de actuadores y sensores, se proporcionan en el archivo daqinterfaz.h
listado en el apéndice A.
Para detectar errores de transmisión de datos se emplea tamaño del mensaje, se verifica
que tanto la instrucción recibida y el número de sensor o actuador a acceder tengan valores
válidos, y que la señal de control esté en el rango de 4 a 20. Si se detecta un error se
muestra un mensaje descriptivo en pantalla y se activa una alarma.
Terminar La aplicación cservidor termina al recibir una señal SIGEND generada al presionar las teclas
<Ctrl+\>. Por seguridad, para evitar terminar este proceso accidentalmente, no responde
a la señal SIGINT generadas por las teclas <Ctrl+C>. No se debe terminar mientras existan
otros procesos que hagan uso de ella, ya que de hacerlo, se bloquearán y se perderá el
Automatización de una columna de destilación
8
control de la columna de destilación. Si por cualquier razón se llega a interrumpir, vuelva a
iniciar el programa.
CPiloto La aplicación cpiloto permite monitorear y controlar la planta de destilación del cenidet,
interactuando con el usuario mediante una interfaz gráfica. Entre sus características
funcionales y de supervisión se encuentran:
• Diagrama esquemático de la columna de destilación • Tres lazos de control automático (flujo de agua al condensador, temperatura de la
alimentación y presión) • Diagramas magnitud-tiempo de los sensores • Diagramas magnitud-tiempo de las señales de control enviadas a los actuadores • Registro del estado del proceso en formato de texto. El texto se puede importar en
OppenOffice Spreadsheet para ver los datos en forma de tabla, graficarlos y analizarlos.
Inicio de la aplicación cpiloto Para iniciar la aplicación introduzca la orden cpiloto en una terminal.
Cuando inicia el programa, aparece en pantalla la ventana mostrada en la Figura 0.1.
Esta se conforma de: un diagrama esquemático de la columna de destilación, la barra de
herramientas en la parte superior y una barra de menús.
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G2)
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Automatización de una columna de destilación
12
Desconectar Envía las acciones necesarias para llevar a la planta a un estado seguro y deja la
comunicación con a la aplicación cservidor. Esta opción funciona a la vez como botón de
emergencia. Si el proceso por alguna razón no es llevado inmediatamente a su estado
seguro se puede volver a presionar el botón o emplear el botón de seguridad.
Las condiciones fijadas como seguras se listan en la Tabla 0.1
Tabla 0.1 Estados seguros de cada uno de los actuadores de la columna de destilación
Actuador Estado seguro
Válvula de flujo de líquido de
enfriamiento FV1
Se deja completamente abierta
Resistencia eléctrica de
precalentamiento J1 y del hervidor
J2
Se les envía una señal de control de 4
mA para llevarlas a un suministro de
0 wats y se apagan
Bomba de alimentación G1 Se apaga
Bomba de vacío G2 Se apaga
Electroválvula de regulación de
reflujo EV1
Se cierra
Las acciones de seguridad se realizan únicamente sobre los actuadores que se
encuentren en operación manual o automática.
Preferencias La ventana Preferencias que se muestra en la Figura 0.5 sirve para cambiar las
características de funcionamiento predefinidas de la aplicación. Para mostrar esta ventana
abra el menú Interfaz y seleccione la opción Preferencias o presione el botón
cor
car
rrespondiente
acterísticas:
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• Actualiesquemperiodo
• GuardaprocesoOpenOfdesactiv
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13
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Automatización de una columna de destilación
16
Lazos de control Esta opción abre la ventana que se muestra en la Figura 0.10. Esta ventana permite cambiar
los parámetros de los lazo de control de la columna de destilación. Los lazos de control
disponibles se muestran en la Figura 0.9 y sus elementos se listan en la Tabla 0.2.
Figura 0.9 Lazos de control de la columna de destilación
Tabla 0.2. Elementos de cada lazo de control de la columna de destilación
Lazo Variable controlada Transductor Variable manipulada
1 Flujo de agua al condensador FT1 Apertura de la válvula FV1
2 Temperatura del flujo
de alimentación TT1
Potencia de la resistencia de
calentamiento J1
3 Presión PT1 Apertura proporcional de la
válvula PV1
Para cambiar entre un lazo y otro de clic en la pestaña con el nombre del lazo deseado.
Para cada lazo podrá elegir entre tres modos de control:
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• Manual:enviar a
• Automá• Monitor
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17
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Automatización de una columna de destilación
18
etiquetada con el nombre del transductor que proporciona la señal (TI1 en la figura de
ejemplo). Así mismo se tiene un indicador Y para monitorear la señal de control que se
envía al elemento de corrección.
La barra de desplazamiento Y permite especificar el valor de la señal de control a
enviar al elemento de corrección en modo manual. En modo de control automático sigue a
la señal de control aplicada por el controlador de tal forma que al cambiar a modo manual
mantenga el último valor generado por el controlador.
Los diagramas magnitud-tiempo ubicados a la derecha de la ventana de control
permiten visualizar gráficamente el progreso de la salida del sistema, el valor de referencia
y la señal de control con respecto al tiempo. El valor de referencia y el valor real se
presentan a través de un mismo diagrama histórico, en éste se sigue la convención
industrial de representar la señal de referencia en color rojo y la señal real en color verde,
sin embargo se da la opción de cambiar el color de cada señal empleando los botones
selectores de color.
Programación PID
Como se observa en la Figura 0.10, en la ventana de control se pueden especificar los
parámetros KP, KI, KD , b y N para el algoritmo de control PID de cada lazo.
Los parámetros tienen los siguientes rangos con incrementos en 0.0001:
KP de 0 a 100
KI de 0 a 100
KD de 0 a 100
b de 0 a 1
N de 8 a 20
MANUAL DE USUARIO
19
También podrá establecer el algoritmo de control PID seleccionando entre dos
opciones: PI-D e I-PD. El diagrama de bloques de cada controlador se ilustra en la Figura
0.11.
KPb
Z-1 KPN
Z-1
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+
+ _
+
Z-1
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u[k]
+
TTr
+
+
+ +
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_
_ +_
Z -1
Z-1
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d
d
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Figura 0.11 Diagrama de bloques del controlador PI-D implementado en el programa cpiloto.
Kp
Z -1 KpN
r[k]
y[k]
+ _
+
Z-1
++
u[k]
+
TTr
+
+
+ +
v[k] _
_ +
_
Z -1
Z-1
p
i
K TT
Z-1
d
d
TT NT+
Figura 0.12 Diagrama de bloques del controlador I-PD implementado en el programa cpiloto.
Automatización de una columna de destilación
20
Programación de apertura y cierre de la electroválvula de reflujo La ventana de control de la electroválvula de reflujo que se muestra en la Figura 0.13
permite programar los tiempos en segundos de apertura y cierre de la electroválvula de
reflujo EV1. En esta ventana se especifican los siguientes parámetros:
Tiempo de marcha. Tiempo de apertura en segundos
Tiempo de paro. Tiempo de cierre en segundos
Tiempo de ejecución. Específica durante cuánto tiempo se realizará la ejecución
del ciclo de apertura-cierre de la electroválvula. Un valor de cero ejecuta el ciclo
indefinidamente hasta desconectar la aplicación.
Los rangos de estos parámetros son
Tiempo de marcha 0.02 a 20 segundos
Tiempo de paro 0.0 a 50 segundos
Tiempo de ejecución 0.0 a 1440 minutos
Una vez ajustados los parámetros de la electroválvula presione el botón Aplicar para
guardar los cambios e iniciar el ciclo de apertura/cierre en cuanto el sistema se conecte a la
interfaz ó inmediatamente si ya se encuentra conectado. Al finalizar el tiempo de ejecución,
la electroválvula se cierra.
y d
el b
DiaAd
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co• Fi• Fi• A• C
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lo de opesea tener el
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Abrir el menúAbrir la vent
erramientas eleccionar eorrespondienijar el modoijar el modo
Ajustar los vaConectar la in
olumna de dest
Figu
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s lazos, por e
pasos:
ú Control y stana Lazos
el lazo de cnte de control d de control y
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ontrol Manuo el botón C
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o demás lazos bierto en el d
jar a otra ap
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ual Control de l
o un clic en
según se desdiagrama esq
plicación el
to, se deben
la barra de
n la pestaña
see quemático
Anexo C
MANUAL DE PROGRAMACIÓN
MANUAL DE PROGRAMACIÓN
Scilab/Scicos para la planta piloto de
destilación de cenidet
Este manual describe los pasos requeridos para implementar aplicaciones de monitoreo o
control en Scilab/Scicos para la planta piloto de destilación de cenidet empleando el
sistema de control asistido por computadora instalado. En éste manual se siguen las
convenciones tipográficas del manual de usuario de la interfaz gráfica.
Índice 1 IMPLEMENTACIÓN DE UNA APLICACIÓN EN SCICOS ........................................................... 2
1.1 INICIAR ................................................................................................................................................ 3
1.2 CREAR UN MODELO ............................................................................................................................... 3
1.3 FIJAR LOS PARÁMETROS .......................................................................................................................... 5
1.4 COMPILAR ........................................................................................................................................... 9
1.5 EJECUTAR .......................................................................................................................................... 12
1.6 INTERFAZ GRÁFICA PARA INTERACTUAR CON EL PROCESO ............................................................................. 13
1.7 TERMINAR ......................................................................................................................................... 16
2 IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROLADOR PID .................................................................... 17
3 EJEMPLO DE UNA APLICACIÓN DE CONTROL ...................................................................... 21
4 BLOQUES DE LA PALETA COLUMNA ........................................................................................ 24
4.1.1 AG1 ........................................................................................................................................ 25
4.1.2 Analog Input .......................................................................................................................... 25
4.1.3 Analog Output ....................................................................................................................... 26
Automatización de una columna de destilación
2
4.1.4 Digital Output ........................................................................................................................ 26
4.1.5 EV1 ......................................................................................................................................... 27
4.1.6 FT1 ......................................................................................................................................... 27
4.1.7 FV1 ......................................................................................................................................... 27
4.1.8 J1 ............................................................................................................................................ 28
4.1.9 J2 ............................................................................................................................................ 28
4.1.10 G1 ........................................................................................................................................... 29
4.1.11 G2 ........................................................................................................................................... 29
4.1.12 LT1 .......................................................................................................................................... 29
4.1.13 PV1 ......................................................................................................................................... 30
4.1.14 PT1 ......................................................................................................................................... 30
4.1.15 TC1 ......................................................................................................................................... 30
4.1.16 TC2 ......................................................................................................................................... 31
4.1.17 TT ........................................................................................................................................... 31
Implementación de una aplicación en Scicos Scicos y RtaiLab forman un sistema de automatización combinando un entorno de
desarrollo gráfico e interactivo e interfaz de operación, así como un compilador integrado
para crear programas de control en tiempo real a partir de diagramas de bloques. La
implementación de un sistema de control en Scicos consta principalmente de:
1. Iniciar la interfaz de desarrollo Scilab/Scicos/Rtai 2. Diseñar y construir un diagrama de bloques del sistema de control 3. Fijar los parámetros de cada bloque 4. Compilar 5. Ejecutar 6. Visualizar e interactuar con el sistema de control
Como ejemplo, se describirán los pasos mencionados para crear una aplicación que
controle los tiempo de apertura y cierre de la válvula de reflujo.
IniUn
tecl
tecl
CrSci
inte
org
Sci
disp
abr
iciar a vez iniciad
leando la ord
Para inicia
lee la orden
rear un mcos proporc
erconectando
ganizan en p
cos abra el
ponibles (Fig
Para constr
ra la paleta S
do el sistem
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ar Scilab intr
scicos.
modelo ciona un edi
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paletas de ac
menú edit y
gura 0.1).
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ma operativo
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roduzca la o
itor gráfico
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cuerdo a su
y seleccione
Figura 0.1
rama de bloq
eccione el b
3
Linux-rtai, e
una terminal.
orden scila
para crear
bles. Cada
u funcionalid
e la opción
Lista de pale
ques de temp
bloque Clock
M
es necesario
ab y una vez
diagramas
bloque rep
dad. Dentro
Palettes par
etas en Scicos
porización d
k mediante u
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cargar las l
z abierta la v
de bloques,
presenta un
de la vent
ra mostrar l
de la electrov
un clic sobre
PROGRAMA
librerías de R
ventana de S
seleccionan
n elemento
tana princip
a lista de pa
válvula de re
e su icono y,
ACIÓN
RTAI
Scilab
ndo e
y se
pal de
aletas
eflujo
, para
Automatiza
insertarlo
de la Tab
Acom
0.2
ación de una co
o, nuevamen
bla 0-1.
Tabla 0-1 L
S
RT
C
mode los blo
olumna de dest
nte de clic so
Lista de bloqu
Paleta
Sources
TAI-Lib
Columna
oques y únal
tilación
obre el edito
ues necesarios
Bloque
Clock
RTAI-squ
RTAI-le
EV1
los para crea
4
or de Scicos
para el contro
e
uare
ed
ar el diagram
. Haga lo m
ol de temporiz
Icono
ma de bloque
mismo para c
zación de EV1
s mostrado e
cada bloque
1
en la Figura
con
Cad
apa
señ
con
refl
RTA
cer
FijPar
y u
Figura 0
El bloque
nectados a su
da bloque ej
arece en la pa
El bloque R
ñal de contr
necta al bloq
lujo si la señ
AI-led sirve
o (encendido
jar los para fijar los pa
un tiempo de
.2 Diagrama
Clock perm
u salida, así
ecuta su cód
arte superior
RTAI-square
ol para la e
que EV1 y a
ñal de entra
como indica
o) e indica e
arámetrosarámetros de
e cierre de 1
de bloques pa
mite especific
í como el tie
digo cuando
r y en color r
e es un gener
electroválvu
un bloque
ada tiene un
ador si la se
en éste caso s
s e cada bloqu
1 segundos p
5
ara el control d
car el period
empo de ret
recibe una s
rojo.
rador de ond
ula de refluj
RTAI-led. El
valor de ce
eñal en su e
si la electrov
ue (por ejemp
para el bloq
M
de tiempo de a
do de muest
tardo antes d
señal en su e
da cuadrada q
o. La salida
l bloque EV
ero; en caso
entrada es ce
válvula está a
plo: un tiem
que RTAI-squ
MANUAL DE
apertura y cie
treo de los b
de iniciar su
ntrada de sin
que se emple
a del boque
V1 cierra la
contrario la
ero (apagad
abierta o cer
mpo de apertu
uare) de clic
PROGRAMA
erre de EV1
bloques que
u funcionami
ncronización
ea para gene
e RTAI-squa
electroválvu
a abre. El b
do) o diferen
rrada.
ura de 5 segu
c derecho sob
ACIÓN
tiene
iento.
n, que
erar la
are se
ula de
loque
nte de
undos
bre el
Automatiza
bloque, a
se muestr
El ti
parámetro
En la
5+11 = 1
segundos
ación de una co
abra el menú
ra en la Figu
Figura
iempo de ap
os se muestr
a ventana de
16 y la durac
s.
olumna de dest
ú possible op
ura 0.3.
a 0.3 Opción O
pertura y ci
ran en la Fig
Amplitude
Figura
e parámetros
ción del imp
tilación
perations con
Open/Set para
ierre se pro
gura 0.4.
e
a 0.4 Parámet
s de bloque
puso en 5 (F
6
n un clic y s
a editar los pa
ograma med
Period
tros del bloqu
RTAI-squar
Figura 0.5). L
eleccione la
arámetros de u
diante el blo
Impulse width
ue Square
re fije la am
Los parámet
opción Ope
un bloque
oque RTAI-s
mplitud a 1, e
tros de tiemp
en/Set como
square. Sus
el periodo a
po están en
sufi
par
Los parám
Aunque pa
ficiente con
ra poder espe
Fig
etros del blo
F
ara los tiem
un periodo
ecificar poste
gura 0.5 Pará
oque RTAI-l
Figura 0.6 Pa
mpos inicial
de muestreo
eriormente t
7
ámetros del bl
led se muestr
rámetros del b
es de apertu
o de un segu
tiempos con
M
loque RTAI-sq
ran en la Fig
bloque RTAI-
ura/cierre d
undo, se fija
una resoluci
MANUAL DE
quare
gura 0.6.
-led
de EV1 de
a a un valor
ión de 0.1 se
PROGRAMA
la Figura 0
de 0.1 segu
egundos.
ACIÓN
0.5 es
undos
Automatiza
Los
interfaz g
bloques
apertura
identifica
aparece a
el cuadro
bloque en
ación de una co
parámetros
gráfica de R
cuyos parám
y cierre p
ador. De clic
abra el subm
o de diálogo
n tiempo de
olumna de dest
Figur
de los bloq
RTAI-Lab s
metros se d
programados
c derecho sob
menú Propert
introduzca
ejecución (F
tilación
ra 0.7 Paráme
ques se pued
se agrupan
deseen modi
en el bl
bre el bloqu
ties y selecc
el nombre c
Figura 0.8 b)
8
etros del bloqu
den modific
y aparecen
ificar en tie
loque RTAI-
ue a identific
cione la opci
con el que d
).
ue Clock
car en tiemp
en una lis
empo de eje
-square) se
ar (RTAI-squ
ión Identifica
desee identif
po de ejecuc
ta. Para rec
ecución (el
les debe
uare) y en el
ation (Figura
ficar los pará
ción; En la
conocer los
tiempo de
asignar un
l menú que
a 0.8 a). En
ámetros del
a)
Fig
CoEl
tiem
ejec
diag
to S
blo
Fig
gura 0.8 Selec
ompilar proceso de
mpo real. R
cución del c
grama exclu
Super Block
que Clock. L
gura 0.9 a. Pa
ccione la opció
compilación
RTAI-Lib sólo
código gener
uyendo al blo
. Con el rató
Los bloques
ara editar los
ón Identificati
cuadro d
n convierte e
o admite un
rado. Por lo
oque Clock.
ón trace un r
se agrupara
s bloques de
9
b)
ion(a) para as
e dialogo que
el diagrama
n bloque co
tanto, es ne
Abra el men
rectángulo q
an dentro de
ntro del sup
M
signarle un no
aparece (b)
de bloques
on una entra
ecesario crea
nú Diagram y
que abarque
e un bloque
erblock de c
MANUAL DE
mbre descript
en un archi
ada reloj pa
ar un superb
y seleccione
todos los bl
único como
clic sobre est
PROGRAMA
tivo al bloque
ivo ejecutab
ara sincroniz
loque a part
la opción R
loques excep
se muestra
te.
ACIÓN
en el
ble en
zar la
tir del
egion
pto el
en la
Automatiza
Figura 0
La
mediante
a compila
Fig
ación de una co
a)
0.9 a) Resulta
a generación
e la opción R
ar.
gura 0.10 Sel
olumna de dest
ado de crear u
n de código
RTAI Codege
eccione la opc
tilación
b)
n superblock
contenido d
a partir del
n (Figura 0.
ción RTAI Co
10
con todos los
del superblock
l diagrama d
10) y selecci
odeGen para c
bloques excep
k.
de bloques
ionando con
compilar el di
pto el bloque C
se realiza di
n un clic el sú
iagrama de blo
Clock, b) el
irectamente
úper bloque
oques
par
com
de
com
En la ven
rámetros:
New blo
Created
Tarjet:
Samplin
establec
Cuando ter
mpilación. E
compilación
mo se muestr
ntana que a
ock’s name
d file Path:
Identificado
ng Time: Pe
cido en el blo
Figura 0.11
rmine de fija
En la ventana
n y, si result
ra en la figur
aparece en
: Nombre de
Directorio d
or de la aplic
eriodo de mu
oque Clock.
Parámetros
ar los parám
a principal d
ta satisfactor
ra Figura 0.1
11
pantalla (F
el archivo eje
donde se aloj
cación para c
uestreo, de f
de la aplicació
metros presio
de Scilab ap
rio, terminar
12.
M
Figura 0.11)
ecutable que
jará la aplica
conectarse c
forma predet
ón en tiempo
one el botón
parecen los m
rá con el me
MANUAL DE
) especifiqu
e se va a gen
ación
on la interfa
terminada es
real a generar
Ok para inic
mensajes rel
ensaje Creat
PROGRAMA
ue los sigui
nerar
az RTAI-Lab
s igual al pe
r
ciar el proce
lativos al pro
ated execut
ACIÓN
ientes
b
eriodo
eso de
oceso
table
Automatiza
EjecutaPara ejec
ubica el
Control
genera lo
ación de una co
ar cutar la aplic
archivo eje
lEV1 genera
os mensajes d
olumna de dest
Figura 0.1
cación cread
ecutable y e
ada a partir
de informaci
Figura 0.13
tilación
12 Mensajes d
da abra una
ejecute el ar
del diagram
ión que apar
3 Ejecución d
12
del proceso de
terminal Li
rchivo. La F
ma de bloque
recen en la te
de la aplicación
e compilación
inux, entre
Figura 0.13
es de la Figu
erminal.
n ControlEV1
al directori
muestra la
ura 0.2. El b
1
io donde se
a aplicación
bloque EV1
IntRT
apli
usu
las
apa
sele
Fig
terfaz gráAI proporc
icaciones en
uarios pueden
señales de e
Para abrir
arecerá la ven
Para intera
eccione la o
gura 0.15 b. P
áfica paraiona la inte
n tiempo rea
n iniciar y d
entrada y sali
la interfaz,
ntana que se
Figura 0.14
actuar con
opción Conn
Para termina
a interacterfaz gráfic
al compilada
detener el pro
ida, y ver in
desde una t
e muestra en
Ventana prin
el programa
ect (Figura
ar presione e
13
tuar con eca RTAI-Lab
as con RTAI
ograma, cam
formación d
terminal intr
la Figura 0.
ncipal de la int
a de contro
0.15 a), esta
el botón Ok.
M
el procesb, la cual
cuando se e
mbiar los pará
del proceso e
roduzca la o
14.
terfaz de usua
ol en tiemp
a opción abr
MANUAL DE
so permite int
encuentran e
ámetros de c
en tiempo rea
orden xrta
ario RTAI-La
o real abra
re el cuadro
PROGRAMA
teractuar co
en ejecución
control, visu
al.
ilab con la
b
el menú F
de diálogo
ACIÓN
n las
n. Los
alizar
a que
File y
de la
Automatiza
Para
ventana P
muestra e
ventana
debe pare
apertura
abierta o
ación de una co
a)
Figura 0.15
modificar l
Parameters M
en la Figura
Leds Manag
ecerse a la d
y cierre de l
cerrada med
a)
olumna de dest
5 Opción Con
os parámetr
Managers de
a 0.16 a. De
ger y marqu
de la Figura
la electrovál
diante el led.
tilación
b)
nnect para co
os predefini
esde el menú
esde el men
ue el cuadro
a 0.17. Desd
lvula en tiem
.
14
)
nectarse con e
idos al elabo
ú View y mar
nú View ma
o Show/Hide
de ésta interf
mpo de ejecu
b)
el programa e
orar el diagra
rque la opció
arque la opc
para mostr
faz se puede
ución y mon
en tiempo real
ama de bloq
ón Paramete
ción Leds p
ar los leds.
e cambiar el
nitorear si s
ques abra la
ers como se
ara abrir la
La interfaz
l tiempo de
e encuentra
cam
mo
dej
des
inic
par
el b
Figura 0.1
Desde la i
mbiar sus pa
nitorear la p
arla en espe
sde la línea d
#
cie la aplica
rámetros si s
botón .
Figura 0.16
17 Interfaz RT
interfaz gráf
arámetros de
puesta en m
era de activa
de comandos
#ControlE
ación RTAI-
se requiere. P
El menú view
TAI-Lab para
fica se pued
e inicio sin
marcha del p
arse desde R
s
Ev1 -w
-Lab, conéct
Para iniciar
15
w y las opcione
a el programa
de iniciar la
tener que c
proceso. Par
RTAI-Lab a
tela a la apl
la ejecución
M
es Parameters
a de control de
aplicación
compilar de
ra iniciar la
agregue el p
licación en
n de la aplica
MANUAL DE
s (a) y Leds (b
e apertura y ci
en tiempo r
e nuevo el p
aplicación
parámetro –w
tiempo real
ación en tiem
PROGRAMA
b)
ierre de EV1
real, permit
programa, o
en tiempo r
w a la aplic
y modifiqu
mpo real pre
ACIÓN
iendo
o para
real y
cación
ue sus
esione
Automatiza
La in
las señale
consultar
TerminAntes de
programa
(Figura 0
Yes (Figu
a)
Figura
Fina
como se m
ación de una co
nterfaz perm
es empleada
r estas opcion
nar e salir de l
a en tiempo
0.18 a) y resp
ura 0.18 b).
a 0.18 Opción
almente, par
muestra en l
olumna de dest
mite emplear
as y cambiar
nes revise el
la interfaz d
real. Para ta
ponda afirma
Disconnect (a
ra abandonar
la Figura 0.1
tilación
r trazadores
r el aspecto
l manual de
de usuario
al fin, abra
ativamente a
b)
a) y cuadro de
programa e
r la interfaz
9.
16
e indicadore
de la interf
usuario de R
de RTAI-L
el menú Fil
al cuadro de
confirmación
en tiempo real
abra el men
es analógico
faz entre otr
RTAI.
Lab se requ
e, seleccion
confirmació
n (b) para desc
l.
nú File y sel
os, llevar un
ras caracterí
uiere descon
e la opción
ón presionan
conectar la int
leccione la o
registro de
sticas. Para
nectarla del
Disconnect
ndo el botón
terfaz del
opción Quit
en
bot
Im La
sum
otro
con
list
Sci
Para finaliz
la terminal.
tón .
mplemea implement
madores y m
os para con
ntrolador par
an en la Tab
cos.
Tabla 0-
Paleta
Sources
RTAI-Lib
Figura 0.1
zar la aplica
También se
entacióación de un
multiplicador
struir sistem
ra el flujo de
bla 0-1 y en
-1 Lista de bl
Bloq
Clo
Ste
19 Opción Qu
ación de cont
e puede det
ón de n controlado
es. Scicos pr
mas lineales
e agua de enf
n la Figura
oques necesar
que
ock
ep
17
uit para salir d
trol vuelva a
tener desde
un conor PI-D es d
roporciona l
en la palet
friamiento a
0.1 se ilustr
rios para impl
Icono
M
de la interfaz d
a su ventana
la interfaz d
ntroladdirecta empl
los bloques G
ta Linear. C
al condensad
ra el diagram
lementar un a
Establece
sincroniza
bloque cad
Permite e
referencia
MANUAL DE
de RTAI-Lab
y pulse las
de RTAI-La
dor PIDleando elem
Gain, Add, y
omo ejempl
dor. Los bloq
ma de bloqu
algoritmo de co
Descripció
el periodo de
la ejecuci
da intervalo T
establecer
PROGRAMA
teclas <Ctr
ab presionan
D mentos de ret
y Saturation
lo se muest
ques necesari
ues construid
ontrol PID
ón
e muestreo T
ión de cad
T.
el valor d
ACIÓN
l+C>
ndo el
trazo,
entre
ra un
ios se
do en
y
da
de
Automatización de una columna de destilación
18
RTAI-Scope
Proporciona una gráfica semejante a
un osciloscopio para visualizar el
valor de las variables en sus entradas.
Linear
Gain
Multiplica la señal en su entrada por
el valor en su parámetro Gain.
Sum
Realiza la suma y resta del valor de
las señales en sus entradas.
Register
Realiza un retrazo de un periodo de
muestreo en la señal que recibe
NonLinear Saturation
Delimita la señal de entrada a un
intervalo
Columna
Flow Tranducer 1
Proporciona el valor del flujo de agua
al condensador en litros por hora.
Flow Valve 1
Envía una corriente de magnitud igual
a su señal de entrada en miliampers a
la válvula reguladora de Flujo FV1.
MANUAL DE PROGRAMACIÓN
19
Figura 0.1 Diagrama de bloques en Scicos para el control de flujo de agua de enfriamiento
En este diagrama, la parte proporcional (en color naranja), integral (en azul) y
derivativa (en verde) se implementaron separadamente. El bloque Step permite definir el
valor de referencia, el bloque FT1 proporciona la señal de retroalimentación, y el bloque
FV1 envía la señal de control al elemento de corrección. Las ganancias a calcular son
r d i
r ir i
p ddd d
d d
T T TT KTa bT T
K NTTa bT NT T NT
=
= =
= =+ +
y se pueden calcular fácilmente con la siguiente función programada en Scilab
Automatización de una columna de destilación
20
function [ad, bd, bi, ar] = KTiTd2ab(K, Ti, Td, N, T)
Tr = sqrt(Td*Ti);
bi = K*T/Ti;
ar = T/Tr;
ad = Td/(Td+N*T);
bd = K*N*Td/(Td+N*T);
endfunction
Para ejecutar es sistema de control se compila el diagrama de bloques y se ejecuta
desde una Terminal como se describió en las secciones anteriores. La interfaz Xrtai-Lab
permite modificar el valor de referencia y los parámetros de control b, Kp, bd, ad, bi y ar.
Un método alternativo es emplear funciones de transferencia, representando la señal de
control como
( ) ( ) ( ) ( ) ( )U z T z R z S z Y z= −
e implementar el controlador como se muestra en la Figura 6-6.
El bloque Discrete Transfer Funcion permite definir funciones transferencia en tiempo
discreto mediante un vector de coeficientes del numerador y un vector de coeficientes del
denominador que recibe como parámetros. Ambos bloques se encuentra en la paleta linear.
EjA m
agu
la p
jemplomanera de e
ua de enfriam
paleta Source
Figura 0.2 C
o de unejemplo se re
miento al co
es y Linear c
Figur
Controlador P
na apliealiza una a
ondensador.
construya el
ra 0.1 Control
21
PID empleand
caciónaplicación qu
Empleando
diagrama de
l del flujo de a
M
do funciones de
n de coue realice el
los element
e la Figura 0
agua de enfria
MANUAL DE
e transferenci
ontrol l control del
tos de la pal
0.1
amiento
PROGRAMA
ia
l lazo de flu
eta columna
ACIÓN
ujo de
a y de
Automatiza
Los b
referencia
especifiq
saturació
bloque de
la Figura
en modo
Para
diagrama
ser como
ación de una co
bloques Sco
a, el error
ue un valor
n en 20 com
e función de
a 0.2. Finalm
simulación
general un
a anterior po
el de la Figu
olumna de dest
ope sirven pa
y la señal
de 200 que
mo valor m
e transferenc
mente fije el t
con una esca
Figura 0.2 P
a aplicación
r los bloque
ura 0.3
tilación
ara monitore
de control
será el valo
máximo y 4
ia discreto y
tiempo de m
ala en tiemp
Parámetros de
n en tiempo
s Step y Sco
22
ear el la resp
(de izquierd
or de referen
como valor
y escriba los
muestreo en 0
o real de 1.
el bloque de co
o real sustitu
ope de la pal
uesta del sis
da a derech
ncia. Fije los
r mínimo. D
parámetros
0.2 segundo
ontrol discreto
uya los bloq
leta RTAI. E
stema contra
ha). En el b
s valores de
De doble clic
tal como se
os y ejecute e
o
ques Step y
El nuevo diag
a el valor de
bloque Step
l bloque de
ck sobre el
muestra en
el diagrama
y Scope del
grama debe
la a
real
Figu
Asigne los
aplicación.
lizando cam
ura 0.3 Diagra
s identificado
Abra la apl
mbios en el va
Tabla 0-1
ama de bloque
ores a cada
licación des
alor de refer
1 Lista de iden
Bloque
23
es para crear u
bloque de a
sde el entor
rencia como
ntificadores p
Set
Dif
Sco
Satu
M
una aplicación
cuerdo a la
rno de XRT
se muestra e
para el ejemplo
Identific
Point
ferencia
ope
uracion
MANUAL DE
n de control d
Tabla 0-1, c
TAI y prueb
en la Figura
o de control
ador
PROGRAMA
de flujo
compile y ej
be el contro
0.4.
ACIÓN
jecute
olador
Automatiza
BloqLa paleta
destilació
forma de
ación de una co
Figura
ues dea columna
ón a través d
referencia.
olumna de dest
0.4 La aplicac
e la Pa(Figura 0.1
de la aplicac
tilación
ción de contro
aleta C) contiene b
ción cservido
24
F(z)
ol de flujo en e
olumnbloques par
or. Cada blo
ejecución desd
na ra interactua
oque se desc
de XRTAI
ar con la c
cribe a conti
columna de
inuación en
AGIco
Fun
dos
la b
Par
AnIco
G1 ono
nción
Envía una
sificadora de
bomba.
rámetros
Ninguno
nalog Inpono
corriente de
e alimentació
o
ut
Figur
e magnitud i
ón G1. Al te
25
ra 0.1 Paleta c
gual a su se
erminar el pr
M
columna
ñal de entra
rograma env
MANUAL DE
ada en miliam
vía 4 mA de
PROGRAMA
mpers a la b
salida para c
ACIÓN
omba
cerrar
Automatiza
Función
Prop
datos.
Parámet
Num
AnalogIcono
Función
Enví
envía una
Parámet
Num
Digital Icono
Función
Si el
contrario
Parámet
Num
ación de una co
porciona el v
tros
mero de canal
g Output
ía hacia un a
a señal de 4 m
tros
mero de actua
l Output
l valor en su
abre el relev
tros
mero de relev
olumna de dest
valor en volt
l cuyo valor
actuador el
mA a la sali
ador a manip
u señal de en
vador. Al ter
vador que se
tilación
ts en la entra
de desea ad
valor que re
da.
pular.
ntrada es cer
rminar el pro
desea manip
26
ada de un ca
dquirir.
ecibe en mi
ro, cierra el
ograma pone
pular.
anal de la ta
liampers. A
relevador co
e al relevado
arjeta de adq
Al terminar e
orrespondien
or en estado
quisición de
el programa
nte, en caso
abierto.
EVIco
Fun
en c
Par
FTIco
Fun
Par
FVIco
V1 ono
nción
Cierra la e
caso contrar
rámetros
Ninguno
T1 ono
nción
Proporcion
rámetros
Ninguno
V1 ono
lectroválvul
rio la abre.
na el valor de
o
la de reflujo
el flujo de ag
27
EV1 si la m
gua al conde
M
magnitud de
ensador en li
MANUAL DE
la señal a su
itros por min
PROGRAMA
u entrada es
nuto.
ACIÓN
cero,
Automatiza
Función
Enví
regulador
completa
Parámet
N
J1 Icono
Función
Cierr
entrada e
Parámet
Ning
J2 Icono
Función
Cierr
entrada e
Parámet
Ning
ación de una co
ía una corrie
ra de Flujo
amente abiert
tros
Ninguno
ra el relevad
s diferente d
tros
guno
ra el relevad
s diferente d
tros
guno
olumna de dest
ente de magn
FV1. Al te
ta la válvula
dor de encen
de cero, en c
dor de encen
de cero, en c
tilación
nitud igual a
erminar su e
a.
ndido de la
aso contrario
ndido de la
aso contrario
28
a su señal de
ejecución en
resistencia
o abre el rele
resistencia
o abre el rele
entrada en m
nvía 20 mA
J1 si la mag
evador apag
J2 si la mag
evador apag
miliampers a
a su salida
gnitud de la
ando a J1.
gnitud de la
ando a J2.
a la válvula
a para dejar
a señal a su
a señal a su
G1Ico
Fun
señ
Par
G2Ico
Fun
su e
Par
LTIco
Fun
1 ono
nción
Cierra el re
ñal a su entra
rámetros
Ninguno
2 ono
nción
Cierra el re
entrada es di
rámetros
Ninguno
T1 ono
nción
Proporcion
elevador de
ada es diferen
o
elevador de
iferente de c
na el valor de
encendido d
nte de cero,
encendido d
cero, en caso
el nivel de lí
29
de la bomba
en caso cont
de la bomba
o contrario ab
íquido destil
M
de alimenta
trario abre e
de vacío G2
bre el releva
lado en milil
MANUAL DE
ación G1 si l
el relevador a
2 si la magn
ador apagand
litros.
PROGRAMA
la magnitud
apagando a G
nitud de la se
do a G2.
ACIÓN
de la
G1.
eñal a
Automatiza
Parámet
Ning
PV1 Icono
Función
Enví
regulador
Parámet
N
PT1 Icono
Función
Prop
Parámet
N
TC1 Icono
ación de una co
tros
guno
ía una corrie
ra de presión
tros
Ninguno
porciona el v
tros
Ninguno
olumna de dest
ente de magn
n PV1.
alor del flujo
tilación
nitud igual a
o de agua al
30
a su señal de
condensado
entrada en m
or en litros po
miliampers a
or minuto.
a la válvula
Fun
resi
resi
Par
TCIco
Fun
resi
resi
Par
TTIco
Fun
Par
nción
Envía una
istencia de
istencia.
rámetros
Ninguno
C2 ono
nción
Envía una
istencia de
istencia.
rámetros
Ninguno
T ono
nción
Proporcion
rámetros
Lista del nú
a corriente d
calentamien
o
a corriente d
calentamien
o
na el valor en
úmeros de R
de magnitud
nto J1. Al t
de magnitud
nto J2. Al t
n grados cen
RTDs cuya te
31
d igual a su
terminar el
d igual a su
terminar el
ntígrados en
emperatura s
M
u señal de
programa e
u señal de
programa e
uno o varios
se desea mue
MANUAL DE
entrada en
envía 4 mA
entrada en
envía 4 mA
s RTDs.
estrear.
PROGRAMA
miliampers
A para enfri
miliampers
A para enfri
ACIÓN
a la
iar la
a la
iar la