27 Fernando Rivas Cruz

S.E.P.

S.E.S.

D.G.E.S.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO

DISENO DE UNA ESTACION DE MONITOREO DE PROCESOS. APLICACION A UNA COLUMNA DE DESTILACION.

TPARA EN P

EOBTENER

SEL EN

IGRADO

SDE :

MAESTRO

CIENCIAS MECATR ONICA

INGENIER IA R E S

E

N

T

A :

I N G. F E R N A N D O R I V A S C R U Z

DIRECTORES DE TESIS

DR. CARLOS M. ASTORGA ZARAGOZA DR. RIGOBERTO LONGORIA RAM IREZ

CUERNAVACA, MORELOS.

AGOSTO de 2006

DedicatoriaA Dios por brindarme la oportunidad de culminar una etapa ms de mi vida y ser la a luz de mis d de obscuridad. as A mi padre Rogelio Rivas por que a lo largo de estos aos ha sido mi gran gu mi n a, apoyo y principalmente mi mejor amigo. A mi madre Yolanda Cruz por cobijarme cada d de mi existencia con su amor a incondicional, su comprensin y paciencia. o A mi hermano Juan Carlos, contigo he compartido muchas alegr logros y tristezas. as, Eres el mejor. Te quiero aco. A mi abuelita Gudelia, aunque no ests con nosotros siempre te llevar en mi mente y e e corazn, para ti jechu. o Para ustedes les dedico este trabajo y mis logros.

F ate de Jehov de todo t corazn, y no te apoyes en t propia prudencia. Reconcelo a u o u o en todos tus caminos y El enderezar tus veredas. a Annimo. o

AgradecimientosAgradezco a mis asesores el Dr. Carlos Manuel Astorga Zaragoza y el Dr. Rigoberto Longoria Ramrez por guiarme en este trabajo de investigacin mediante sus invaluables o consejos y observaciones, por su conanza y sobre todo por su amistad. A los miembros del comit revisor: el Dr. Gerardo V. Guerrero Ram e rez, la Dra. Ma. Guadalupe Lpez Lpez y el Dr. Enrique Quintero-Mrquez Marmol, gracias por sus o o a acertados comentarios y correcciones que contribuyeron a enriquecer este trabajo. Agradezco tambin a todos mis profesores de CENIDET por su gran labor en la e formacin de futuros investigadores. o Agradezco al grupo de destilacin: al Dr. David Jurez por sus enseanzas y comeno a n tarios. A mis compaeros Francisco Ronay y en especial al chino Guillermo Valencia n por el apoyo y sugerencias realizadas para culminar este desarrollo. A ti Ivette Carrero, por que has compartido conmigo muchas ancdotas y has estado e en las buenas y malas. Gracias por tu cario, tu tiempo y dedicacin. n o A mi gran amigo Abraham Carreola, gracias por extender tu mano en todo momento y ser participe de muchos logros desde hace cuatro aos. n A ti Leslie Mora chaparra por brindarme tu amistad incondicional y tu cario. n Agradezco cada palabra de aliento y consejo. Gracias por ensearme la diferencia entre n un arreglo de cluster y un cluster de arreglos. Agradezco a Fernando y Milagros (mis compadres) por abrir las puertas de su corazn, o permitiendo ser padrino de bautizo de Marifher. Dios los bendiga. A la familia San Mart y en especial a mis amigas(os) Orchid, Martha, Violet, Meury, n Gaddi, por brindarme su amistad y cario. Gracias por permitirme disfrutar momentos n

inolvidables con cada uno de ustedes y en especial el d del viaje a Cuautla (espero se les a olvide como llegaron los aguacates). A mis amigos de generacin 2003-2005, tavo, cima, beto, escobedo, juaco, don chente, o con quienes compart momentos agradables de estudio y trabajo con la ilusin de algn o u d ver nuestros estudios concluidos. a A mis amigos de generacin 2004-2006, fer, rafa, mike, peter, angel; por brindarme o su amistad y compaerismo. n Al M.C. Luis E. Serrano por brindar su amistad y ensearme a disfrutar del trabajo n en equipo. Al Laboratorio de Biotecnolog Ambiental de la Universidad Autnoma del Estado a o de Morelos UAEM, por el prstamo de sus instalaciones y equipo, en especial a la Dra. e Ma. del Refugio Trejo y al I.Q Daniel Morales. Sin duda he dejado de mencionar a muchas otras personas que hicieron ms placentera a mi estancia en Cuernavaca, siempre estuvieron pendientes de mi. No obstante a todos ustedes los tengo presentes y les reitero mi ms profundo agradecimiento. a Agradezco al COSNET y SEP por el apoyo econmico brindado, sin el cul no hubiera o a sido posible dedicarme de tiempo completo al desarrollo de este trabajo de tesis. Finalmente, agradezco al Centro Nacional de Investigacin de Desarrollo Tecnolgico o o por proporcionarme los medios necesarios para mi formacin acadmica y por las facilio e dades otorgadas durante mi estancia.

ResumenEn este trabajo se presenta el desarrollo de una estacin de monitoreo para una o planta piloto de destilacin. El protocolo de comunicaciones MODBUS es la solucin o o tecnolgica de comunicacin entre la computadora como unidad de control y la planta o o piloto de destilacin. El uso de este protocolo permite obtener un sistema de monitoreo a o bajo costo de implementacin, aumentando la abilidad del control de la planta. o El diseo del sistema de monitoreo se presenta en un ambiente grco y amigable n a para el operador, con la capacidad de monitorear y manipular las variables f sicas que intervienen en el proceso de destilacin. o La aplicacin importante de este sistema es la incorporacin avanzada o innovadora o o de algoritmos de control. En este trabajo se presenta la implementacin de un observador o de estados para estimar en l nea las composiciones molares en cada etapa de la columna de destilacin. o

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

Indice generalLista de guras Lista de tablas Notacin o 1. Introduccin o 1.1. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Justicacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.3.1. Aportacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.4. Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Organizacin del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2. Protocolo de comunicaciones MODBUS 2.1. Introduccin al protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.1.1. Transmisin sobre redes MODBUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.1.2. Modos de transmisin serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.1.3. Campos de trama del mensaje MODBUS . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Mtodos de comprobacin de error . . . . . . . . . . . . . . . . . . e o 2.1.5. Datos y funciones de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6. Contenido del campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

VIII

IX

XI

1 2 3 3 4 4 6 7 8 9 11 12 16 18 20

ii

INDICE GENERAL

2.2. Reguladores de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Informacin tcnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o e 2.2.2. Instrumentacin conectada a los reguladores de control . . . . . . . o 2.2.3. Conexiones f sicas de Digitric 500 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Transferencia de datos de los reguladores . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5. Registro de MODBUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Dise o y desarrollo de la estacin de monitoreo n o 3.1. Diagramas de bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21 22 23 32 34 36 39 40 42 42 43 44 45 52 53 54 56 57 58 59 60 61 64 65 65 67

3.1.1. Inicializar controles e indicadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Aplicacin control de botones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.1.3. Lectura/escritura de las variables mediante MODBUS . . . . . . . . 3.1.4. Aplicacin guardar datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.1.5. Aplicacin ejecutar acciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.2. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Aplicacin del SPPD a una columna de destilacin o o 4.1. Sistema de la planta piloto de destilacin SPPD . . . . . . . . . . . . . . o 4.1.1. Conguracin del puerto serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.1.2. Control de la vlvula de reujo EV1 . . . . . . . . . . . . . . . . . a 4.1.3. Seleccin de Parmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o a 4.1.4. Grca de parmetros en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . a a 4.1.5. Control de lazos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.6. Grcas de temperatura en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . a 4.1.7. Registro de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Implementacin del observador de estado al SPPD . . . . . . . . . . . . . . o 4.2.1. Descripcin del observador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.2.2. Diagrama de ujo de implementacin . . . . . . . . . . . . . . . . . o

INDICE GENERAL

iii 71 74 79 81 81 82 83 85 89 91 93 95 95 96 99 99

4.3. Estimacin de concentraciones en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.4. Validacin del observador de estados en l o nea . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Conclusiones generales y trabajos futuros 5.1. Conclusiones Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1. Benecios prcticos de la estacin de monitoreo . . . . . . . . . . . a o 5.1.2. Perspectivas de trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliograf a Glosario de trminos e A. Art culos publicados B. Tablas de parmetros a C. Instalacin del programa de monitoreo o C.1. Requerimientos m nimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.2. Instalacin SPPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o D. Manual de operacin de la columna o D.1. Procedimiento de puesta en marcha de la PPD . . . . . . . . . . . . . . . .

D.2. Parada de la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 D.3. Medidas de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 E. Entorno y conceptos de LabVIEW F. Implementacin de algoritmos de control o 105 109

F.1. Requerimientos del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 F.2. Implementacin de algoritmo o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

iv G. Propiedades del cromatgrafo o

INDICE GENERAL

115

G.1. Procedimiento de prueba experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Lista de guras2.1. Aplicacin general del protocolo MODBUS. . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.2. Ciclo peticin-respuesta, maestro-esclavo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.3. Mensaje general MODBUS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Bloque separado con modelos de datos MODBUS. . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Peticin del maestro con trama ASCII/RTU. . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.6. Respuesta de un esclavo con trama ASCII/RTU. . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Regulador Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Planta piloto de destilacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.9. Cuerpo de la columna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. b. Plato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seccin del cuerpo de la columna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 9 10 12 19 20 21 22 24 24 24 24 25 25 25 26 26 26 26 27 27

2.10. Partes que integran al Hervidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. b. Termoresistencia de precalentamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . Hervidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.11. Parte superior de la columna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a. b. Condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vlvula de control para el ujo del agua. . . . . . . . . . . . . . . . a

2.12. Electrovlvula de reujo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 2.13. Alimentacin de la mezcla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o a. Deposito de alimentacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o v

vi b. c.

LISTA DE FIGURAS

Bomba de alimentacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Termoresistencia de precalentamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . .

27 27 28 28 29 32 33 34 41 41 41 41 41 41 41 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 50 51

2.14. Interpolacin de los puntos de operacin de G1. . . . . . . . . . . . . . . . o o 2.15. Bomba de anillo l quido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.16. Diagrama de instrumentacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.17. Seales de conexin, mdulos y PC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . n o o 2.18. Mdulos de los reguladores Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 2.19. Base de conexin de Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.1. Jerarqu de la estacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a o a. b. c. d. e. f. Mdulo AE4 mA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Mdulo AE2 PT 3/4L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Mdulo AA3 mA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Mdulo BA4 REL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Mdulo R2-232. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Mdulo AE4 mA MUS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o

3.2. Diagrama de ujo principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Subprograma, inicializar controles e indicadores. . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Subprograma, control de barra de botones o men. . . . . . . . . . . . . . u 3.5. Subprograma, leer y/o escribir datos de instrumentos. . . . . . . . . . . . . 3.6. Subprograma, guardar datos de instrumentos. . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Subprograma VI aplicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8. Diagrama de ujo de grcas de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . a 3.9. Diagrama de ujo de control de lazos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10. Diagrama de ujo de seleccin de parmetros. . . . . . . . . . . . . . . . . o a 3.11. Diagrama de ujo de grca de parmetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . a a 3.12. Diagrama de ujo de control on/o EV1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.13. Diagrama de ujo reporte en Excel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

LISTA DE FIGURAS

vii 52 54 55 56 57 58 59 59 60 61 62 63 63 64 65 66 67 69 70 72 73 73 74 75 75 76 77

3.14. Diagrama de ujo para recuperar y generar reporte. . . . . . . . . . . . . . 4.1. Ventana de inicio del SPPD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Panel principal de la estacin de monitoreo. . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.3. Representacin f o sica del ambiente de monitoreo. . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Conguracin serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.5. Aplicacin de control de EV1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.6. Seleccin de parmetros a grcar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o a a 4.7. Grca de seleccin de parmetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a o a 4.8. Control de los lazos TIC, FIC, PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9. Control en lazo abierto de la potencia calefactora. . . . . . . . . . . . . . . 4.10. Panel de grcas de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 4.11. Seleccin de grcas de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o a 4.12. Personalizar la apariencia de las grcas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 4.13. Escalas de las grcas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 4.14. Reporte formato Excel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15. Esquema de observacin experimental fuera de l o nea. . . . . . . . . . . . 4.16. Diagrama de implementacin del observador. . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.17. Figura de implementacin del observador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.18. Aplicacin de comparacin temperaturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o o 4.19. Estimacin de concentraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.20. Reporte formato Excel de concentraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.21. Panel de grcas Treal y Testimada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 4.22. Temperatura del horno del cromatgrafo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.23. Diagrama de cromatgrafo de gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.24. Fotograf de cromatgrafo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a o 4.25. Interpolacin de la curva de calibracin de metanol. . . . . . . . . . . . . . o o 4.26. Reporte grco del cromatgrafo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a o

viii a. b.

LISTA DE FIGURAS

Muestra 8, inyeccin a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Muestra 13, inyeccin b. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o

77 77 78 78 78 78 79 79 79

4.27. Reporte del cromatgrafo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o a. b. Muestra 8, inyeccin a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Muestra 13, inyeccin b. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o

4.28. Estimacin de x en condensador y hervidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.29. Comparacin de temperaturas reales y estimadas. . . . . . . . . . . . . . . o a. b. Temperatura T9 y T 9 del condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura T2 y T 2 del hervidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

F.1. NI MODBUS Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 F.2. NI PID Control Toolset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

F.3. Ejemplo de modelo en Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 F.4. Nuevo algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

F.5. Implementacin del nuevo algoritmo de control. . . . . . . . . . . . . . . . 112 o F.6. Agregar nueva estructura al SPPD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 F.7. Agregar nueva propiedad a la barra de men. . . . . . . . . . . . . . . . . 113 u F.8. Agregar apartado a la barra de men del SPPD . . . . . . . . . . . . . . . 114 u

Lista de tablas2.1. Parmetros de conguracin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a o 2.2. Elementos monitoreados y controlados en Digitric 1. . . . . . . . . . . . . . 2.3. Elementos monitoreados y controlados en Digitric 2. . . . . . . . . . . . . . 2.4. Funciones permitidas del regulador Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Rango de valores del regulador Digitric 500. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Registros MODBUS del regulador 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.1. Caracter sticas f sicas de la planta piloto de destilacin. . . . . . . . . . . . o B.2. Propiedades termodinmicas de la mezcla metanol-etanol. a . . . . . . . . . 23 31 31 35 36 37 93 94 94

B.3. Parmetros iniciales del experimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a

ix

x

LISTA DE TABLAS

Notacin oLetras may sculas uCM eOH C1 D1 D3 E1 E4 EV 1 FV F I1 F IC1 FV 1 G1 G2 J1 J2 LT 1 PM eOH P IC1 Ti T IC1 Wa xi Concentracin molar de metanol ( %). o Depsito del hervidor (6L). o Depsito de almacenamiento (9L). o Depsito de recuperacin de destilado (1L). o o Condensador. Depsito de recuperacin de fondo (4L). o o Vlvula de reujo (0-1) a Flujo volumtrico en la alimentacin (mL/min). e o Transmisor de ujo de rea variable. a Lazo de control de ujo de agua al condensador. Vlvula neumtica de paso de agua al condensador ( %). a a Frecuencia de alimentacin ( %). o Bomba de vac o. Termoresistencia elctrica de precalentamiento ( %). e Termoresistencia elctrica de calentamiento del hervidor ( %). e Transmisor de nivel. Seal de salida del cromatgrafo. n o Lazo de control de presin. o Temperatura del plato i (o C). Lazo de control de temperatura de alimentacin. o Potencia calefactora del hervidor (Watts). Fraccin molar l o quida en el plato i, (0-1 %). xi

T 1 T 12 Sensores de temperatura RTDs (o C).

xii

NOTACION

Marcas diacr ticas Estimado.

AbreviaturasCENIDET Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico. o o CRC EtOH HMI LRC MeOH OPC PC PID PLC PPD RTD Comprobacin Redundante C o clica. Etanol. (Human Machine Interface). Interfaz humano-mquina. a Comprobacin Redundante Longitudinal. o Metanol. (OLE for Process Control ). OLE para control de procesos. Computadora personal. Algoritmo de control proporcional, integral y derivativo. Controladores lgicos programables. o Planta piloto de destilacin. o (Resistive Temperature Detector ) Detector de temperatura por resistencia.

Cap tulo 1 Introduccin oAunque en el pasado pod considerarse que el unico objetivo del control de procesos a consist en mantener una operacin estable del proceso, actualmente las industrias se a o enfrentan a un mercado cambiante y dif de predecir. La competencia en muchos sectores cil industriales y el creciente inters por obtener productos de mejor calidad, requiere que las e plantas industriales cuenten con la implementacin de sistemas de monitoreo y control o que permitan mantener la operacin del proceso con gran eciencia y exibilidad1 . o Actualmente los sistemas de monitoreo y control en la industria de procesos, deben satisfacer criterios econmicos, asociados con el mantenimiento de las variables de proceso o en sus puntos de ajuste (set points) maximizando los criterios de seguridad y de medio ambiente. La industria de procesos requiere mejorar el control de sus unidades mediante la instrumentacin necesaria y adecuada, adems de contar con sistemas de monitoreo que o a permitan en conjunto, minimizar costos de instrumentacin, cableado e implementacin, o o con el objetivo de incrementar la calidad de la produccin y el nivel de seguridad de la o planta. La industria de procesos tiene un alto grado de lo que se puede llamar automatizacin o bsica: salas de control con sistemas de control distribuido (DCS ), PLCs para sistemas a de seguridad o secuenciamiento, etc., estn hoy d presentes en todas las factor Del a a as.La exibilidad se considera desde el punto de vista de la facilidad de adaptacin a cambios en los o productos que se fabrican, sus caracter sticas, demandas, etc.1

1

2

CAP ITULO 1. INTRODUCCION

mismo modo se extienden y aanzan los buses de campo (MODBUS, PROFIBUS, etc.) a la vez que los sistemas basados en computadoras y la relativa normalizacin de las comuo nicaciones (OPC ) permiten disponer de grandes cantidades de anlisis y procesamiento a de datos. Por otra parte, el funcionamiento correcto de la automatizacin depende en gran o medida de la habilidad para conocer el estado real del funcionamiento del proceso en su operacin normal en funcionamiento degradado debido a la aparicin de fallos o cambios o o o de estado interno. Los modernos sistemas basados en buses de campo facilitan esa tarea al ofrecer diagnsticos automticos de la instrumentacin, pero esto es solo una parte del o a o diagnstico: los puntos fuertes son el propio proceso y el sistema de control. o Uno de los rasgos de la sociedad actual es, sin duda, la disponibilidad a bajo precio de sistemas de cmputo y comunicaciones, lo cual previsiblemente continuar en el futuro, o a as como el papel que stas juegan en todos los mbitos y la facilidad de interconexin e a o debida a la extensin de los sistemas abiertos. o

1.1.

Planteamiento del problema

La implementacin de nuevas tecnolog que contribuyen a la optimizacin en plantas o as o de procesos qu micos en automatizacin y control industrial, han sido hoy en d una de o a, las razones de las empresas para mejorar sus instalaciones y garantizar la continuidad operativa de los procesos buscando el costo-benecio de la inversin. En la actualidad o uno de los grandes retos que estn afrontando la industria de procesos, es la reduccin de a o costos de mantenimiento e instrumentacin. o Para lograr lo anterior, la industria de procesos y principalmente las columnas de destilacin requieren disponer de sistemas de monitoreo ecaz para analizar las variables o implicadas en el proceso, as como de mtodos o tcnicas prcticas para obtener medios e e a de comunicacin a bajo costo de implementacin, instrumentacin y mantenimiento. o o o Adems de los problemas de sistemas de monitoreo en columnas de destilacin, si se a o desea medir en l nea (o en tiempo real) las concentraciones en cada una de las etapas de una columna de destilacin, el costo de la instrumentacin ser muy elevado (cromatgrafos, o o a o espectrmetros, etc.), por lo que se hace dif el monitoreo de la concentracin en l o cil o nea

1.2. OBJETIVOS

3

debido a la escasez de sensores o instrumentos adecuados ya que son costosos o no existen.

1.2.

Objetivos

Los objetivos pueden resumirse en los siguiente puntos:

1. Disear y desarrollar una estacin de monitoreo para la planta piloto de destilacin n o o del CENIDET, con el n de monitorear las variables f sicas que intervienen en el proceso de destilacin. La comunicacin entre la planta y la estacin de monitoreo o o o se har mediante el protocolo MODBUS. a 2. Manipular los lazos de control en modo manual o automtico, adems de poder variar a a los parmetros de sinton de los controladores que integran la instrumentacin de a a o la planta piloto. 3. La estacin de monitoreo permitir implementar un observador de estado para deo a terminar en tiempo real las concentraciones molares en cada una de las etapas de la columna de destilacin a partir de las mediciones de temperaturas. o

1.3.

Justicacin o

El CENIDET cuenta con una planta piloto de destilacin que posee la instrumentacin o o necesaria para poner en prctica conocimientos del proceso de destilacin. Requiere de a o un sistema capaz de monitorear y manipular las variables que implican el proceso de destilacin, as como permitir la implementacin de algoritmos de control complejo. o o La solucin viable para disponer del sistema de monitoreo del proceso de destilacin, o o se basa en el uso del protocolo de comunicaciones MODBUS para sensar y manipular las variables de la PPD desde una computadora, con lo que se dispone de un sistema a bajo costo de implementacin. o

4


1.3.1.

Aportacin o

Contribuir en el estudio de columnas de destilacin y en el campo de la instruo mentacin industrial, principalmente obteniendo un sistema de monitoreo a bajo costo o de implementacin y que permita implementar en l o nea un sensor software para la estimacin en l o nea de las variables de destilacin, reduciendo costos de instrumentacin y o o aumentando la ecacia de la planta.

1.4.

Estado del arte

Las investigaciones ms recientes estn basadas en el diseo y mejoras de los sistemas a a n de monitoreo y control del proceso de destilacin, as como de la implementacin de o o algoritmos de control. A continuacin se nombran algunos trabajos que se han realizado o con respecto a desarrollos de sistemas de monitoreo aplicados a columnas de destilacin y o algunos trabajos de investigacin con respecto al modelado de columnas de destilacin. o o En el trabajo de [Zamarreo, 2003] desarrolla una interfaz con un sistema de control n distribuido (por sus siglas en ingls DCS ) para una planta de destilacin, en este trabajo e o se implementan diferentes controles avanzados y tcnicas de operacin. e o Otro ejemplo de sistemas de monitoreo con aplicacin a columnas de destilacin se o o desarrolla mediante el uso de tarjetas de adquisicin de datos y un sistema llamado PXI de o NI para adquisicin de datos, la interfaz grca se desarrolla en LabVIEW . El trabajo o a fue desarrollado por [Rodr guez, 2005] del Grupo de Exerg del Instituto Mexicano del a Petrleo. o En el trabajo de [Nooraii y Romagnoli, 1998] se presenta una interfaz de monitoreo desarrollada en LabVIEW rrollado en Ecosimpro. Dentro del mbito de la automatizacin industrial el uso de los buses de campos como a o es el MODBUS se ha convertido en toda una realidad para el monitoreo y control de sus procesos. Por mencionar algunos desarrollos de sistemas de monitoreo y control mediante el protocolo de comunicaciones MODBUS, en [Brown y Lacey, 2002] se presenta un sistema de control para cmaras de crecimiento de plantas; en [Ram et. al., 2004] un sistema a rez para mostrar la respuesta de la columna a un modelo desa-

1.4. ESTADO DEL ARTE

5

inalmbrico para una unidad de terminal remota y en [Schalk et. al., 2004] un sistema de a control de calidad en ambientes industriales usando procesamiento de imgenes. a Para aplicaciones en columnas de destilacin en [Ramos et. al., 2002] se muestra una o aplicacin real sobre la cual se han probado diferentes controladores predictivos generao lizados (GPCs), el medio de comunicacin entre sus dispositivos se realiza mediante el o bus de campo PROFIBUS. En [Ramos et. al., 2001] se presenta un control distribuido implementado en una planta piloto. En este trabajo concluyen que el uso de los buses de campo, exibiliza el control de procesos, as como la ventaja de usar una PC como unidad de control. Con respecto a modelado de columnas de destilacin se puede mencionar algunos o trabajos, que solo han llegado a la experimentacin fuera de l o nea: Con la introduccin de la computadora digital y el desarrollo del control en las cuao tro ultimas dcadas se han realizado estudios ms profundos sobre la dinmica de sistemas e a a de destilacin. Uno de los primeros en formalizar un algoritmo matemtico en una como a putadora fue Peiser en 1962. Otros estudios importantes fueron los de [Rosenbrock, 1960] o y [Rademarker et. al., 1975]. Estas personas se consideran los pioneros en la investigacin del modelado dinmico, estabilidad, algoritmos de control y posibles soluciones del proceso a de destilacin. o En [Luyben, 1992] se muestra una recopilacin de referencias y la contribucin o o de varios autores sobre modelado, control, simulacin e identicacin de columnas de o o destilacin. El modelado y la simulacin del comportamiento dinmico de una columna de o o a destilacin de etanol de la industria azucarera se presenta en en [Rueda-Ferreiro, 2000]. o La estimacin de las fracciones molares l o quidas en los platos de una columna de destilacin mediante observadores de estado, se aborda en diferentes trabajos. Por o mencionar algunos de ellos, en [Quintero et. al., 1991] presentan resultados en simulacin o para una columna de destilacin multicomponente por lotes. En [Deza et. al., 1998] y o [Targui, 2000] se encuentran resultados en simulacin para una columna de destilacin o o binaria. Para el control de la composicin en el hervidor y del fondo de una torre de deso tilacin, en [Torres et. al., 1999] utiliza un control de tipo neuronal. La red neuronal es o entrenada fuera de l nea, con la nalidad de obtener productos de la pureza deseada.

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1.5.

Organizacin del documento o

En el Cap tulo 2 se denen los conceptos del protocolo MODBUS, utilizado como el sistema de comunicacin entre la computadora y la planta piloto. Se muestra la descripcin y cono o guracin f o sica de los reguladores de control Digitric 500 que usan el protocolo MODBUS y se proporciona una descripcin de la instrumentacin conectada a los reguladores de control. o o En el Cap tulo 3 se muestra la arquitectura, los diagramas de ujo y el diagrama jerrquico a en el diseo y desarrollo de la estacin de monitoreo. n o En el Cap tulo 4 se presenta el producto nal y las pruebas experimentales de monitoreo de la instrumentacin, manipulacin de los lazos de control y manipulacin de los actuadores o o o mediante la estacin de monitoreo. Se describe la implementacin experimental de un observador o o de estados a la estacin de monitoreo para determinar en l o nea las concentraciones molares. El Apndice A muestra los art e culos generados y publicados: Art culo 1 presentado en la AMCA 2006. Desarrollo de una estacin de monitoreo y control en l o nea. Aplicacin a una o columna de destilacin. Art o culo 2 presentado en formato WEB de soluciones de usuario de National Instruments . Sistema de monitoreo y control en l nea para una planta piloto de destilacin (SPPD). o El Apndice B describe los parmetros y caracter e a sticas de la planta piloto de destilacin, o as como las propiedades f sico-qu micas metanol y del etanol. El Apndice C describe el proceso de instalacin de la estacin de monitoreo en una come o o putadora, as como los requerimientos m nimos para su ejecucin. o El Apndice D es un manual del procedimiento de la puesta en marcha de la columna de e destilacin mediante el uso de la estacin de monitoreo, as como la parada de la planta y las o o medidas de seguridad. El Apndice E describe el entorno y conceptos bsicos de LabVIEW . e a El Apndice F es un manual para implementar algoritmos de control complejo a la estacin e o de monitoreo y las especicaciones de requerimientos necesarios. El Apndice G describe las caracter e sticas del cromatgrafo de gases que se us en el proceso o o de validacin del observador de estados en l o nea.

Cap tulo 2 Protocolo de comunicaciones MODBUSEn este cap tulo se presenta la importancia del uso del protocolo MODBUS, como el medio de comunicacin entre la computadora y la instrumentacin de la columna a travs o o e de dos reguladores de control denominados Digitric 500, con los que cuenta la planta de destilacin del CENIDET. o En la Seccin 2.1 se describe la teor del protocolo de comunicaciones MODBUS, o a as como, las caracter sticas del MODBUS para enviar y recibir informacin de los reguo ladores de control mediante la computadora personal. En la Seccin 2.2 se describen las caracter o sticas tcnicas de los reguladores de cone trol Digitric 500. Se explican las caracter sticas del env y recepcin de datos entre los o o reguladores de control y la computadora mediante el protocolo MODBUS

7

8

CAP ITULO 2. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES MODBUS

2.1.

Introduccin al protocolo o

El protocolo MODBUS es un bus de campo, se puede denir como el medio de comunicacin entre diferentes equipos de un sistema de automatizacin, esto puede ser, desde o o un sensor o un actuador, hasta una computadora o un autmata programable. o Los antiguos sistemas de control, basados en grandes computadoras centrales y kilmeo tros de cableado resultaban ser inapropiados para las exigencias del momento del mercado donde los procesos de fabricacin necesitaban de una automatizacin ms exible, robusta o o a y que adems reduzca los costos de instalacin y mantenimiento. a o El protocolo MODBUS fue desarrollado por Modicon a nales de los aos 80s. Este n protocolo fue usado como un servidor de comunicaciones cliente maestro-esclavo entre diferentes dispositivos como son los PLCs, debido a su simplicidad y especicacin abierta o actualmente es utilizado por diferentes fabricantes [Pefhany, 2000]. Entre los dispositivos que lo utilizan se puede mencionar: PLCs, HMI (Human Machine Interface), RTU (Remote Terminal Unit), controladores, sensores y actuadores remotos [MODBUS, 2000]. En el rea de las comunicaciones en entornos industriales, la estandarizacin de proa o tocolos es un tema en permanente discusin, donde intervienen problemas tcnicos y coo e merciales. Cada protocolo est optimizado para diferentes niveles de automatizacin y en a o consecuencia responden al inters de diferentes proveedores. e MODBUS dene una estructura de mensaje que los controladores reconocern y a usarn, independientemente del tipo de redes sobre la que comuniquen. Proporciona el a estndar interno que los controladores usan para el anlisis de los mensajes. Durante la a a comunicacin sobre una red MODBUS, el protocolo determina cmo cada controlador o o conocer su direccin de dispositivo, reconocer un mensaje direccionado a l, determia o a e nar el tipo de accin a tomar y extraer cualquier dato u otra informacin contenida en a o a o el mensaje. La Figura 2.1 muestra cmo se pueden interconectar los dispositivos en una jerarqu o a de redes que emplean tcnicas de comunicacin que dieren ampliamente. En la transaccin e o o de mensajes, el protocolo MODBUS integrado en la estructura de paquetes de cada red proporciona el lenguaje comn por el cual los dispositivos pueden intercambiar datos u [MODBUS, 2000].

2.1. INTRODUCCION AL PROTOCOLO

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Procesador Principal

984-685 MB Plus

MODBUS

Programador P230

MODBUS

AT/MC-984 and Host/MMI

984 A/B And S985

BM85

MODBUS

MODBUSDispositivos MODBUS Sobre una RED

Programador P230

Figura 2.1: Aplicacin general del protocolo MODBUS. o

2.1.1.

Transmisin sobre redes MODBUS o

Los puertos standard MODBUS utilizan una interfaz serie compatible RS-232C. La norma EIA RS-232C dene las patillas del conector, cableado, niveles de seal, velocidades n de transmisin y control de paridad. o Los controladores1 se comunican usando una tcnica maestro - esclavo, en la cual e slo un dispositivo (el maestro) puede iniciar transacciones (llamadas peticiones). Los o otros dispositivos (los esclavos) responden suministrando al maestro el dato solicitado, o realizando la accin solicitada en la peticin, ver Figura 2.2 [Pefhany, 2000]. o o A continuacin se describen las operaciones de peticin-respuesta en la transmisin o o o de informacin sobre redes MODBUS: o La Peticin: El cdigo de funcin en la peticin indica al dispositivo esclavo el tipo o o o o de accin a realizar. Los bytes de datos contienen cualquier informacin adicional que o o el esclavo necesitar para llevar a cabo la funcin. Por ejemplo el cdigo de funcin 032 a o o o pedir al esclavo que lea registros mantenidos (holding registers) y responda con sus a contenidos. El campo de datos debe contener la informacin que indique al esclavo en oEn esta seccin el trmino de controladores, se reere a dispositivos equipos que tienen la capacidad o e o de soporte del protocolo MODBUS como medio de comunicacin. o 2 En la seccin 2.1.5 se describe los cdigos de funcin en una red MODBUS. o o o1

10


Peticin

MAESTRODireccin Funcin Datos Control de Error

ESCLAVODireccin Funcin Datos Control de Error

Respuesta

Figura 2.2: Ciclo peticin-respuesta, maestro-esclavo. o

qu registro debe comenzar y cuntos ha de leer. El campo de comprobacin de error e a o proporciona un mtodo para que el esclavo valide la integridad del contenido del mensaje e recibido. La Respuesta3 : Si el esclavo elabora una respuesta normal, el cdigo de funcin o o contenido en la respuesta es una rplica del cdigo de funcin enviado en la peticin. e o o o Los bytes de datos contienen los datos recolectados por el esclavo, tales como valores de registros o estados. Si ocurre un error, el cdigo de funcin contenido en la respuesta es o o diferente al cdigo de funcin enviado en la peticin, para indicar que la respuesta es una o o o respuesta de error y los bytes de datos contienen un cdigo que describe el error. El campo o de comprobacin de error permite al maestro conrmar que los contenidos del mensaje o son vlidos. a El protocolo MODBUS establece el formato para la peticin del maestro, colocando o en ella la direccin del dispositivo esclavo (0 en caso de difusin4 ), un cdigo de funo o o cin que dene la accin solicitada, cualquier dato que haya de enviarse y un campo de o o comprobacin de error. El mensaje de respuesta del esclavo est tambin denido por el o a e protocolo MODBUS. Contiene campos conrmando la accin tomada, cualquier dato que o deba devolverse y un campo de comprobacin de error. Si el mensaje que se recibe por el o esclavo es defectuoso o el esclavo es incapaz de realizar la accin solicitada, construir un o a mensaje de error y lo enviar como respuesta. a

3 4

En la seccin 2.1.6 se muestran ejemplos del ciclo peticin-respuesta en un mensaje MODBUS. o o Solicita informacin a todos los dispositivos esclavos. o


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2.1.2.

Modos de transmisin serie o

Los controladores pueden ser congurados para comunicarse sobre redes estndar a MODBUS utilizando cualquiera de los dos modos de transmisin: ASCII o RTU. El usuario o selecciona el modo deseado, junto con los parmetros de comunicacin del puerto serie a o (velocidad, paridad, etc.), durante la conguracin de cada controlador. El modo y los o parmetros serie deben ser los mismos para todos los dispositivos conectados a una red a MODBUS [MODICON, 1996]. La seleccin del modo ASCII o RTU tiene que ver unicamente con redes MODBUS o estndar. Se denen los bits contenidos en los campos del mensaje transmitido en forma a serie en esas redes. Se determina cmo debe ser empaquetada y decodicada, la informacin o o en los campos del mensaje.

Modo ASCII Cuando los controladores se conguran para comunicarse en una red MODBUS segn u el modo ASCII (American Standard Code for Information Interchange), cada byte - 8 bits - en un mensaje se env como dos caracteres ASCII. La principal ventaja de este modo a es que permite intervalos de tiempo de hasta un segundo entre caracteres sin dar lugar a error [MODBUS, 2000]. El formato para cada byte en modo ASCII es:

Sistema de codicacin: Hexadecimal, caracteres ASCII 0-9, A-F. Un caracter hexao decimal contenido en cada carcter ASCII del mensaje. a

Bits por byte: 1 bit de arranque. 7 bits de datos, el menos signicativo se env a primero. 1 bit para paridad Par o Impar; ningn bit para No paridad. 1 bit de paro u si se usa paridad; 2 bits si no se usa paridad.

Campo de comprobacin de error: Comprobacin Redundante Longitudinal (siglas o o en ingls LRC ). e

12 Modo RTU


Cuando los controladores son congurados para comunicarse en una red MODBUS usando el modo RTU (Remote Terminal Unit), cada byte de 8 bits en un mensaje contiene dos d gitos hexadecimales de 4 bits. La principal ventaja de este modo es que su mayor densidad de carcter permite mejor rendimiento que el modo ASCII para la misma a velocidad. Cada mensaje debe ser transmitido en un ujo continuo [MODBUS, 2000].

Sistema de codicacin: Binario 8-bits, hexadecimal 0-9,A-F. Dos d o gitos hexadecimales contenidos en cada campo de 8 bits del mensaje. a Bits por byte: 1 bit de arranque. 8 bits de datos, el menos signicativo se env primero. 1 bit para paridad Par o Impar; ningn bit para No paridad. 1 bit de paro u si se usa paridad; 2 bits si no se usa paridad. Campo de comprobacin de error: Comprobacin Redundante C o o clica (siglas en ingls CRC ). e

2.1.3.

Campos de trama del mensaje MODBUS

En cualquiera de los modos de transmisin serie (ASCII o RTU), un mensaje5 o MODBUS es situado por el dispositivo que transmite. Esto permite a los dispositivos receptores comenzar en el arranque del mensaje, leer la parte de la direccin y determinar o qu dispositivo es direccionado ( o todos los dispositivos si es una difusin direccin = 0) e o o y conocer cundo se ha completado el mensaje [MODICON, 1996]. a El protocolo dene una unidad de datos de protocolo simple (PDU ) independiente debajo de la l nea de comunicacin [MODBUS IDA, 2004]. Bsicamente el marco general o a de env de datos se muestra en la Figura 2.3. o

Figura 2.3: Mensaje general MODBUS.5

En MODBUS esto se denomina framing.


13

El campo de cdigo de funciones es un cdigo de un byte, su rango es de 1 a o o 255 decimal. Cuando un mensaje es enviado desde un maestro a un dispositivo esclavo (computadora-columna), el cdigo llama al esclavo a que inicie la accin solicitada. o o El campo de datos del mensaje enviado desde un maestro a un dispositivo esclavo contiene informacin adicional que el esclavo utiliza para tomar la accin denida por el o o cdigo de funciones. Este puede incluir campos discretos y direccin de registros. o o Si no existe un error relacionado a las funciones MODBUS requeridas, el esclavo responder con los datos solicitados por el maestro. Si existe un error, el mensaje contiene a un cdigo de excepcin o chequeo de error, que la aplicacin de error puede determinar o o o para que en la siguiente accin, ser tomada en cuenta. o

Campo de direcciones El campo direccin de un mensaje contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU). o Las direcciones de esclavo vlidas estn en el rango de 0 a 247 decimal. Los dispositivos esa a clavos individuales tienen direcciones asignadas en el rango 1 a 247. Un maestro direcciona un esclavo situando la direccin del esclavo en el campo direccin del mensaje. Cuando un o o esclavo env su respuesta, sita su propia direccin en el campo direccin de la respuesta, a u o o para dar a conocer al maestro qu esclavo est respondiendo. e a

Campo de funciones El campo cdigo de funcin de un mensaje, contiene dos caracteres (ASCII) u ocho o o bits (RTU). Los cdigos vlidos estn en el rango de 1 a 255 decimal. o a a Cuando un mensaje es enviado desde un maestro a un dispositivo esclavo, el campo del cdigo de funcin indica al esclavo qu tipo de accin ha de ejecutar. Por ejemplo: o o e o leer los estados on/o de un grupo de bobinas6 o entradas discretas; leer el contenido de datos de un grupo de registros; leer el estado de diagnstico de un esclavo; escribir en o determinadas bobinas o registros o permitir cargar, salvar o vericar el programa dentro del esclavo.6

En MODBUS el trmino bobina se reere a dispositivos que solo tienen dos estados abierto y cerrado. e

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Cuando el esclavo responde al maestro, utiliza el campo del cdigo de funcin para o o indicar bien una respuesta normal (libre de error) o que algn tipo de error ha tenido lugar u (denominado respuesta de excepcin). Para una respuesta normal, el esclavo simplemente o replica el cdigo de funcin original. Para un respuesta de excepcin, el esclavo devuelve o o o un cdigo que es equivalente al cdigo de funcin original con su bit ms signicativo o o o a puesto a valor 1. Por ejemplo, para leer un grupo de registros almacenados en un mensaje, desde un maestro a un esclavo tendr el siguiente cdigo de funcin: a o o 0000 0011 (Hexadecimal 03) Si el dispositivo esclavo ejecuta la accin solicitada, sin error, devuelve el mismo cdigo o o en su respuesta. Si ocurre una excepcin devuelve: o 1000 0011 (Hexadecimal 83) Adems de la modicacin del cdigo de funcin para una respuesta de excepcin, el a o o o o esclavo sita un unico cdigo en el campo de datos del mensaje respuesta. Esto indica al u o maestro qu tipo de error ha tenido lugar, o la razn para la excepcin. e o o

Campo de datos El campo datos, se construye utilizando conjuntos de dos d gitos hexadecimales, en el rango de 00 a FF hexadecimal. Pueden formarse a partir de un par de caracteres ASCII o desde un caracter RTU, de acuerdo al modo de transmisin serie de la red. o El campo datos de los mensajes enviados desde un maestro a un esclavo, contiene informacin adicional que el esclavo debe usar para tomar la accin denida por el cdigo o o o de funcin. Esto puede incluir partes como direcciones discretas y de registros, la cantidad o de partes que han de ser manipuladas y el cmputo de bytes de datos contenidos en el o campo. Por ejemplo, si el maestro solicita a un esclavo leer un grupo de registros almacenados (cdigo de funcin 03), el campo de datos especica el registro de comienzo y cuntos o o a registros han de ser le dos. Si el maestro escribe sobre un grupo de registros en el esclavo (cdigo de funcin 10 hexadecimal), el campo datos especica el registro de comienzo, o o


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cuntos registros escribir, el cmputo de bytes de datos que siguen en el campo datos y a o los datos que se deben escribir en los registros. Si no ocurre error, el campo datos de una respuesta desde un esclavo al maestro contiene los datos solicitados. Si ocurre un error, el campo contiene un cdigo de excepcin o o que la aplicacin del maestro puede utilizar para determinar la prxima accin a tomar. o o o El campo datos puede ser inexistente (de longitud cero) en ciertos tipos de mensajes. Por ejemplo, en una peticin de un dispositivo maestro a un esclavo para que responda con o su anotacin de eventos de comunicacin (cdigo de funcin 0B hexadecimal), el esclavo o o o o no requiere ninguna informacin adicional. El cdigo de funcin por s solo especica la o o o accin. o

Campo chequeo de error Existen dos tipos de mtodos de comprobacin de error en una red MODBUS. El e o contenido del campo comprobacin de error depende del mtodo que se utilice. o e

ASCII Cuando el modo ASCII se usa para la trama del mensaje, el campo Comprobacin o de Error contiene dos caracteres ASCII. Los caracteres de comprobacin de error son el o resultado de un clculo Comprobacin Redundante Longitudinal (LRC ) que es realizado a o sobre el contenido del mensaje. Los caracteres LRC se aaden al mensaje como el ultimo campo que precede a los n caracteres del mensaje.

RTU Cuando el modo RTU se usa para un mensaje, el campo Comprobacin de Error cono tiene un valor de 16 bits implementado como dos bytes de 8 bits. El valor de comprobacin o de error es el resultado de un clculo Comprobacin Redundante C a o clica (CRC ) realizado sobre el contenido del mensaje.

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El campo CRC se agrega al ultimo campo del mensaje. La forma de hacerlo es, aadir n primero el byte de orden bajo del campo, seguido del byte de orden alto. El byte de orden alto del CRC es el ultimo byte a enviar en el mensaje.

2.1.4.

Mtodos de comprobacin de error e o

Las redes series estndar MODBUS utilizan dos tipos de comprobacin de error. a o La comprobacin de paridad (par o impar) puede ser aplicada opcionalmente a cada o caracter. La comprobacin de la trama (LRC o CRC) es aplicada al mensaje completo. o Ambas comprobaciones, de caracter y de trama de mensaje son generadas en el dispositivo maestro y aplicadas a los contenidos del mensaje antes de la transmisin. El dispositivo o esclavo comprueba cada caracter y la trama del mensaje completo durante la recepcin o [MODBUS, 2000]. El maestro se congura por el usuario para aguardar durante un tiempo de espera predeterminado, antes de abortar la transaccin. Este intervalo se establece para ser lo suo cientemente largo para que cualquier esclavo responda normalmente. Si el esclavo detecta un error de transmisin, el mensaje no ser tomado en cuenta. El esclavo no construir una o a a respuesta para el maestro. As el tiempo de espera expirar y permitir al programa del a a maestro tratar el error. Un mensaje direccionado a un dispositivo esclavo inexistente tambin causar un error de tiempo excedido (time out7 ). e a

Control de paridad Los usuarios pueden congurar los controladores para modicar el valor del control de paridad (par o impar) o sin control de paridad. Esto determinar cmo ser iniciado el a o a bit de paridad en cada caracter. Si se especica cualquier control de paridad par o impar, se contabilizar la cantidad a de bits que tienen valor 1 en la porcin de datos de cada caracter (siete bits de datos para o modo ACSII, u ocho para RTU). Al bit de paridad habr de darse valor 0 o 1, para que a se obtenga nalmente un nmero par o impar, respectivamente, de bits con valor 1. u

7

Un timeout es un tiempo que se establece antes de que se reporte una falla.


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Por ejemplo, estos 8 bits de datos forman parte de una trama de carcter RTU: a 1100 0101 La cantidad de bits de valor 1 en el dato es cuatro. Si se utiliza un control de paridad par, el bit de paridad de la trama debe establecerse en un valor 0, haciendo que la cantidad de bits de valor 1 siga siendo un nmero par (cuatro). Si se utiliza un control de paridad u impar, el bit de paridad deber tener valor 1, resultando una cantidad de bits de valor 1, a impar (cinco). Cuando el mensaje se transmite, el bit de paridad se calcula y se aplica a la trama de cada caracter. El dispositivo receptor cuenta la cantidad de bits de valor 1 y establece un error si no coincide la paridad con la congurada para ese dispositivo (todos los dispositivos en la red MODBUS deben ser congurados para usar el mismo mtodo de control de e paridad). Si se especica un control de tipo No Paridad, no se transmite ningn bit de paridad u y no se hace comprobacin de paridad. Se transmite un bit de paro adicional para rellenar o la trama de caracter.

Comprobacin LRC (Comprobacin Redundante Longitudinal) o o En modo ASCII, los mensajes incluyen un campo de comprobacin de error que o est basado en un mtodo de comprobacin longitudinal redundante (LRC). El campo a e o LRC controla el contenido del mensaje, a excepcin de los (:) del comienzo. Se aplica o con independencia de cualquier mtodo de control de paridad utilizado para los caracteres e individuales del mensaje. El campo LRC es un byte, contiene un valor binario de ocho bits. El valor LRC es calculado por el dispositivo emisor, que aade el LRC al mensaje. El dispositivo receptor n calcula el LRC durante la recepcin del mensaje y compara el valor calculado con el valor o que se recibe en el campo LRC. Si los dos valores no son iguales, resulta un error. El valor LRC se calcula sumando entre s los sucesivos bytes del mensaje, descartando cualquier acarreo y luego complementando a dos el valor resultante. Se realiza sobre el contenido del campo de mensaje ASCII excluyendo el carcter (:) de comienzo del a mensaje.

18


Comprobacin CRC (Comprobacin Redundante C o o clica) En modo RTU, los mensajes incluyen un campo de comprobacin de error que se basa o en un mtodo de comprobacin de redundancia c e o clica (CRC). El campo CRC controla el contenido del mensaje completo. Se aplica con independencia de cualquier mtodo de e control de paridad que se utiliz para los caracteres individuales del mensaje. o El campo CRC es de dos bytes, contiene un valor binario de 16 bits. El valor CRC se calcula por el dispositivo emisor, que aade el CRC al mensaje. El dispositivo receptor n calcula el CRC durante la recepcin del mensaje y compara el valor calculado con el valor o que se recibe en el campo CRC. Si los dos valores no son iguales, resulta un error. Para calcular el valor CRC MODBUS se pre-carga con un registro de 16 bits, todos ellos a 1. Posteriormente empieza un proceso que toma los sucesivos bytes del mensaje y los opera con el contenido del registro y actualiza ste con el resultado obtenido. Slo los e o 8 bits de dato de cada caracter se usan para generar el CRC. Los bits de arranque, paro y el bit de paridad, no se tienen en cuenta para el CRC. Durante la generacin del CRC, se efecta una operacin booleana OR exclusivo o u o (XOR) a cada caracter de 8 bits con el contenido del registro. Entonces al resultado se le aplica un desplazamiento de bit en la direccin de bit menos signicativo (LSB), rellenando o la posicin del bit mas signicativo (MSB) con un cero. o Este proceso se repite hasta haber cumplido 8 desplazamientos. Despus del ultimo e desplazamiento (el octavo), el prximo byte es un operador XOR con el valor actual del o registro y el proceso se repite con ocho desplazamientos ms. El contenido nal del registro, a despus de que todos los bytes del mensaje han sido procesados, es el valor del CRC. e

2.1.5.

Datos y funciones de control

En esta seccin, la expresin de los valores numricos (tales como direcciones, cdigos, o o e o o datos) se expresan como valores decimales en el texto. Son expresados como valores hexadecimales en los campos del mensaje de las guras. Todas las direcciones de datos en un mensaje MODBUS estn referidas a cero. Por a ejemplo:


19

La bobina conocida como (bobina 1) en un controlador programable se direcciona como una bobina 0000 en el campo de direccin de datos de un mensaje. o La bobina 127 decimal se direcciona como una bobina 007E hexadecimal (126 decimal). Los registros almacenados 40001 son direccionados como un registro 0000 en el campo de direcciones de datos del mensaje. La funcin del campo de cdigo especica la o o operacin de un registro. o Los registros almacenados 40108 son direccionados como un registro 006B hexadecimal (107 decimal) En la Figura 2.4 se muestra la organizacin de los datos en un dispositivo, se tiene o entradas/salidas digitales/analgicas. Cada bloque esta separado, ya que los datos de cada o bloque no tienen ninguna correlacin. Cada bloque es accesible con las diferentes funciones o [MODBUS IDA, 2004].Memoria de dispositivo Acceso MODBUSEntrada discreta

Solicitud MODBUS

Bobina Registro de entrada Registro de almacenamiento

Dispositivo servidor MODBUS

Figura 2.4: Bloque separado con modelos de datos MODBUS.

20


2.1.6.

Contenido del campo

La Figura 2.5 muestra un ejemplo de un mensaje de peticin MODBUS. La peticin o o del maestro es una solicitud de lectura de registros almacenados, al dispositivo esclavo con direccin 06. El mensaje solicita datos numricos de tres registros almacenados, 40108 al o e 40110. Observe que el mensaje especica la direccin de comienzo como 0107 (006B hex). oPETICINNombre del campo Cabecera Direccin del esclavo Funcin Direccin comienzo alto Direccin comienzo bajo No. Registro alto No. Registro bajo Comprobacin de error Terminacin Total Bytes: Datos del Ejemplo (Hex) Caracteres ASCII : (dos puntos) 0 6 0 3 0 0 0 B 0 0 0 3 LRC (2 caract) CR LF 8 Campo 8 bits RTU

06 03 00 0B 00 03

0000 0110 0000 0011 0000 0000 0110 1011 0000 0000 0000 0011 CRC(16 bits) Ninguno

Figura 2.5: Peticin del maestro con trama ASCII/RTU. o

La Figura 2.6 es un ejemplo de una respuesta normal. La respuesta del esclavo replica el cdigo de funcin, indicando que esto es una respuesta normal. El campo cmputo de o o o bytes especica cuntas unidades de datos de 8 bits se devuelven. Muestra la cantidad a de bytes de datos que vienen a continuacin, bien ASCII o RTU8 . En el modo ASCII, o este valor representa la mitad del cmputo real de caracteres ASCII en el dato, ya que en o este modo, cada d gito hexadecimal de 4 bits requiere un carcter ASCII y por lo tanto, a deben haber dos caracteres ASCII para contener cada unidad de dato de 8 bits. Por ejemplo, el dato: 63 hex se env como un byte (ocho bits) en modo RTU (0110 a 0011). El mismo valor, enviado en modo ASCII requiere dos caracteres ASCII, el ASCII (6) (011 0110) y el ASCII (3) (011 0011). El campo Cmputo de bytes contabiliza este o dato como un solo dato de 8 bits, con independencia del mtodo de trama de caracter e (ASCII o RTU).8

Slo en el modo RTU coincide con el nmero de bytes de datos. o u

2.2. REGULADORES DE CONTROL

21Datos del Ejemplo (Hex) Caracteres ASCII : (dos puntos) 0 6 0 3 0 6 0 2 2 B 0 0 0 0 0 0 6 3 LRC (2 caract) CR LF 23 Campo 8 bits RTU Ninguno 0000 0110 0000 0011 0000 0110 0000 0010 0010 1011 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110 0011 CRC(16 bits) Ninguno 11

RESPUESTANombre del campo Cabecera Direccin del esclavo Funcin Cmputo de bytes Dato Alto Dato Bajo Dato Alto Dato Bajo Dato Alto Dato Bajo Comprobacin de error Terminacin

06 03 06 02 2B 00 00 00 63

Total Bytes:

Figura 2.6: Respuesta de un esclavo con trama ASCII/RTU.

2.2.

Reguladores de control

Toda la instrumentacin de la planta piloto de destilacin se conecta a dos reguladores, o o denominados Digitric 500 de la marca ABB . Estos dispositivos son controladores con un amplio espectro de aplicaciones ilimitadas en muchos campos industriales: ingenier a mecnica, de plsticos, textiles, azcar, cermicas, industria cementera, ambiente de proa a u a teccin y laboratorios e instituciones tecnolgicas [Digitric a, 2000], [Digitric 500, 2001]. o o La importancia del conocimiento y uso de estos reguladores se basa en la capacidad de soporte del protocolo MODBUS para la conexin de sistemas de alto nivel, adems de o a que permite contar con un gran nmero de caracter u sticas:

Entrada universal para el control de variables (mA, termoresistencias, de temperatura, etc.) con rangos de medicin congurable. o Entradas/salidas digitales congurables. 2 salidas de relevador. Acciones de control PID, PI, PD, P.

22


Programacin integrada (10 programas). o Capacidad de Bus RS485 para Interfaz MODBUS RTU9 . 4 lazos de control con alarmas. Conguracin del puerto serie para la interfaz entre la computadora. o Memoria de almacenamiento datos EPROM.

Figura 2.7: Regulador Digitric 500.

2.2.1.

Informacin tcnica o e

El panel frontal provee la informacin del estado del proceso y realiza la posible o intervencin selectiva en la accin del proceso. Los despliegues numricos y la informacin o o e o de texto claro permite precisar la lectura y escritura del punto de ajuste (set point) y la correccin de los valores, as como en el env de la informacin hacia la computadora o o o [Digitric b, 2000]. La correcta comunicacin entre los dos reguladores y la computadora, deber estar o a denida con los siguientes parmetros10 : aMODBUS RTU: Modo de transmisin serial. Cuando los controladores son congurados para comuo nicarse en una red MODBUS usando el modo RTU (Remote Terminal Unit), cada byte de 8 bits en un mensaje contiene dos d gitos hexadecimales de 4 bits. 10 La capacidad de rango de baudios debe tener la misma conguracin entre la computadora y el panel o de los reguladores para asegurar la comunicacin entre la planta piloto y la computadora, por defecto o 9600 baudios.9


23

Tabla 2.1: Parmetros de conguracin. a o Regulador 1 Direccin o Rango baudios 01 9600 Regulador 2 03 9600

2.2.2.

Instrumentacin conectada a los reguladores de control o

A continuacin se describe brevemente la instrumentacin de la planta piloto de destio o lacin conectada a los reguladores de control Digitric 500, con la nalidad de conocer poso teriomente los registros de cada dispositivo en el protocolo de comunicaciones MODBUS.

i) Componentes de la columna La columna est formada por una estructura de acero inoxidable AISI 304, 10 platos, a un condensador y un hervidor (ver Figura 2.8). En la Figura 2.9a muestra un plato perteneciente a los 10 con los que cuenta la planta piloto. En el interior de los 10 platos perforados se efecta la transferencia de masa entre las u dos fases L quido-Vapor y distribuidos en la columna (ver la Figura 2.9b).

ii) Hervidor (C1) El hervidor, permite llevar a cabo la destilacin proporcionando el calor necesario a o la columna de destilacin mediante una termoresistencia elctrica de calentamiento (J2), o e (ver Figura 2.10a), ubicada en el interior del hervidor. La mxima potencia calefactora a suministrada por la termoresistencia del hervidor es de 2500 Watts con una capacidad de 6L, (ver Figura 2.10b).

24


Figura 2.8: Planta piloto de destilacin. o

a Plato.

b Seccin del cuerpo de la o columna.

Figura 2.9: Cuerpo de la columna.


25

a Termoresistencia de precalentamiento.

b Hervidor.

Figura 2.10: Partes que integran al Hervidor. iii) Condensador (E1) El condensador (E1) (ver la Figura 2.11a) se constituye bsicamente por: a Un recipiente de acero inoxidable tipo tubo-tubo [E.Veneta, 1998]. Contiene el l quido refrigerante (agua) suministrado por una bomba externa a la planta piloto y se regula a travs de la apertura proporcional de una vlvula neumtica (FV1) (ver la e a a Figura 2.11b). El refrigerante y el vapor a condensar estn separados por un supercie de intera cambio de calor tubular, el vapor a condensar uye a travs de un tubo helicoidal e en contracorriente al l quido refrigerante.

iv) Vlvula de reujo (EV1) a El reujo permite que parte del vapor condensado sea colectado como producto destilado y parte regrese a la columna, ste reujo se controla mediante la electrovlvula de tres e a v (EV1), que se localiza a la altura del condensador (ver la Figura 2.12). Los tiempos as de apertura y cierre conmutacin de la vlvula de reujo son controlados por medio de o a dos temporizadores11 .Estos temporizadores pueden ser ajustados mediante el sistema de monitoreo desarrollado en este trabajo de tesis.11

26


a Condensador.

b Vlvula de control para el a ujo del agua.

Figura 2.11: Parte superior de la columna.

Figura 2.12: Electrovlvula de reujo. a

v) Deposito de alimentacin (D1) o La mezcla de alimentacin se almacena en el deposito D1 (capacidad de 15 L), (ver o Figura 2.13a). La temperatura de la mezcla de alimentacin es controlada mediante la o termoresistencia elctrica de precalentamiento (J1). En la Figura 2.13c se muestra la e resistencia de precalentamiento J1. La alimentacin es suministrada mediante una bomba dosicadora, (Figura 2.13b). o Debido a que la alimentacin se lleva a cabo de forma intermitente, se hace una interpoo


27

a Deposito mentacin. o

de

ali-

b Bomba de alimentacin. o

c Termoresistencia precalentamiento.

de

Figura 2.13: Alimentacin de la mezcla. o

lacin12 de varios puntos de operacin de la bomba, con el n de conocer una funcin o o o para calcular el ujo volumtrico suministrado a la columna a partir de la frecuencia de e bombeo. Con la ecuacin se trata de obtener una relacin entre la frecuencia de bombeo con o o el ujo de alimentacin, para esto es necesario realizar un experimento, el cual consiste en o suministrar agua a diferentes frecuencias de bombeo y el ujo suministrado se toma del plato de alimentacin de la columna. Se determina la cantidad de ujo de alimentacin o o medido en mililitros por minuto. La Figura 2.14 muestra una grca de una funcin a o lineal interpolando varios puntos de operacin de la bomba. Esta funcin calcula el ujo o o volumtrico (F V ) suministrado a la columna y esta dada por la siguiente ecuacin: e o

FV = 1.20631(G1) 2.88483

(2.1)

donde: FV Flujo volumtrico en la alimentacin (mL/min). e o

G1 Frecuencia de alimentacin ( %). o

12

Aproximacin o ajuste de datos a una ecuacin matemtica. o o a

28


Figura 2.14: Interpolacin de los puntos de operacin de G1. o o

vi) Bomba de vac (G2) o

La planta piloto de destilacin adems de operarse a presin atmosfrica, cuenta o a o e con una bomba de vac de anillo l o quido (Figura 2.15) y una vlvula neumtica para la a a regulacin de la presin residual de la planta, con lo cual existe la posibilidad de operar o o la columna a presiones menores a la de la atmsfera. En este trabajo, la columna de o destilacin se opera a presin atmosfrica. o o e

Figura 2.15: Bomba de anillo l quido.


29

FC1PI1

FT1 H2OV7

FV1

TI10

E1 EV1

TI11PSV1

FI1V8

L2

Control de Flujo

TI9V23 V10

V9 V1

TI8 TI7 TI6

L1V3

Control de Temperatura

V2

E3V12

TT1

V11

TI5 TI4 TI3

ATMPdl1 V16 V27 V17 TI12 V15

D1

TI1 TC1 TI2

D3V20 V19

V4

LT1 LC1V21

D4

C1 J1V5

E1 E2

D2

PT1 PI1 PC1V18

L3

V6

PV1H2O

H2O V14 V24 V25

G1

J2

EV2

H2O

Control de Presin

G2

V26

Figura 2.16: Diagrama de instrumentacin o vii) Lazos de control La planta piloto cuenta con tres lazos de control gobernados por los reguladores Digitric 500. Estos lazos se muestran en las reas punteadas del esquema de la PPD (ver a la Figura 2.16). Estos lazos de control se encuentran gobernados por los reguladores de control Digitric 500, mediante los cuales, se conguran los parmetros de sinton de los a a controladores, los valores de entrada y de salida. A continuacin se describe los lazos de control: o L1. Control de temperatura (TIC1). El primer lazo de control se encarga de controlar la temperatura de la mezcla de alimentacin en la columna, con lo cual se o afecta al ujo de vapor V y al de l quido L presentes en cada uno de los platos de la columna de destilacin. Dicho control se logra por medio de la termoresistencia de o precalentamiento J1, que es la que transere la energ a la mezcla. a L2. Control de ujo de agua (FIC1). Este lazo controla el ujo de agua al condensador y dicho lazo afecta de forma directa el ujo de l quido L en los platos, ya que al tener variacin del ujo de l o quido de enfriamiento, var el porcentaje a de l quido que se condensa. El control se logra manipulando la vlvula neumtica a a

30


(FV1), sta regula el ujo que pasa por el serpent del condensador teniendo una e n condensacin ms rpida o ms lenta del vapor que ingresa al condensador. Por medio o a a a del dispositivo indicador (FI1) se puede visualizar el ujo de l quido de enfriamiento. A la entrada y salida del condensador se tienen dos sensores de temperatura (TI10 y TI11 respectivamente), con lo cual puede ser calculada la transferencia de calor del condensador. L3. Control de presin (PIC1). Este lazo es encarga de controlar la presin de o o operacin de la columna. La bomba de vac de anillo l o o quido tiene la capacidad de llevar la presin dentro de la columna a un punto menor a la de la atmsfera y el o o control se logra por medio de la vlvula de venteo PV1. a

viii) Otras partes Existen otras partes no menos importantes de la planta piloto de destilacin que a o continuacin se listan (ver diagrama de instrumentacin en la Figura 2.16): o o

Depsito graduado de recuperacin del producto destilado, capacidad 1 L, (D3). o o o o Depsito de recuperacin del producto de fondo, capacidad 4 L, (E4). 12 sensores de temperatura tipo RTDs, cubierta de acero inoxidable (TI1-TI12). 12 indicadores electrnicos de temperatura, rango 0-199o C (TI1-TI2). o Transmisor de ujo de rea variable, (FI1). a Transmisor de nivel, (LT1). Transmisor electrnico de presin diferencial, (PdI1). o o 2 temporizadores para los reguladores de la razn de reujo y la regulacin de la o o toma de destilado.

A continuacin se resume mediante tablas, los dispositivos conectados a cada reguo lador. Se especica el tipo de variable, si es manipulada, controlada o monitoreada.


31

Tabla 2.2: Elementos monitoreados y controlados en Digitric 1. Variable controlada Variable manipulada Regulador 1 a. Temperatura del ujo de alimentacin (TIC1), rango 0-150 % o b. Flujo de agua al condensador (FIC1), rango 0-100 % c. Presin en la columna (PIC1), rango 0-100 % o a. Potencia de resistencia de precalentamiento (J1) b. Apertura proporcional vlvula (FV1) a c. Apertura proporcional vlvula (PC1) a On/o Vlvula de reujo (EV1) a On/o bomba de alimentacin (G1) o Dosicacin de alimentacin (G1), rango 0-100 % o o Temperaturas 1 a la 6 (T1-T6) Flujo de agua al condensador (FIC) Presin en la columna (PIC) o

Variable monitoreada

Tabla 2.3: Elementos monitoreados y controlados en Digitric 2. Variable controlada Variable manipulada Regulador 2 d. Temperatura del hervidor (C1), rango 0-100 % d. Potencia de la termoresistencia (J2) On/o de la termoresistencia (J1) On/o de la termoresistencia (J2) On/o bomba de vac (G2) o Temperaturas 7 a la 12 (T7-T12) Medidor de nivel (LI1) Medidor de presin diferencial (Pdi1) o

Variable monitoreada

Regulador 1, contiene tres dispositivos que pueden ser controlados, ocho para monitoreo, y seis dispositivos que pueden manipularse. En la Tabla 2.2 se muestran estos dispositivos, as como la sigla con la que se identica en la columna de destilacin o13

.

Regulador 2, contiene un dispositivo a controlar, ocho variables monitoreadas, un dispositivo a manipular y tres dispositivos de estado on-o. En la Tabla 2.3 se muestran estos dispositivos, as como la sigla con la que se identica en la columna de destilacin. o

En las tablas se muestran las variables controladas y sus correspondientes variables manipuladas mediante una relacin de letras. o

13

32


2.2.3.

Conexiones f sicas de Digitric 500

Los reguladores de control Digitric 500, tienen diferentes mdulos de entrada para o conectar los dispositivos f sicos de la columna (ejemplos: resistencias de precalentamiento, RTDs, etc.). En la Figura 2.17 se muestra la parte posterior del regulador, donde se conectan los mdulos y dispositivos de la columna de destilacin: o o

Figura 2.17: Seales de conexin, mdulos y PC. n o o

A continuacin se explica brevemente los mdulos con los que estn equipados los o o a reguladores Digitric 500 [Digitric a, 2000]: AE4 mA: Mdulo de entrada analgica 4 x mA. Soporte de 4 entradas analgio o o cas, 0/4...20 mA con separacin de potencia elctrica (ver la Figura 2.18a). o e AE2 PT 3/4L: Mdulo de entrada analgica 2 x PT100 de 3/4 cables de o o conexin. Soporte de 2 entradas analgicas para PT100 de 3 4 cables de conexin o o o o (ver la Figura 2.18b). o o o AA3 mA: Mdulo de salida analgica 3 x mA. Soporte de 3 salidas analgicas de 0/4...20 mA a 750, prueba de corto circuito y circuito abierto (ver la Figura 2.18c). BA4 REL: Mdulo de salida digital 4 x relays. Soporte de 4 salidas a relevador o con contacto normalmente abierto (ver la Figura 2.18d).


33

R2-232: Mdulo de interfaz serie. Solo se puede usar en la entrada de mdulo o o 414 )(ver la Figura 2.18e). AE4 mA MUS: Mdulo de entrada analgica 4 x mA con fuente de alio o mentacin. Soporte de 4 entradas 0/4...20 mA 0/2...10 V (ver la Figura 2.18f). o o

a Mdulo AE4 mA. o

b Mdulo AE2 PT 3/4L. o

c Mdulo AA3 mA. o

d Mdulo BA4 REL. o

e Mdulo R2-232. o

f Mdulo AE4 mA MUS. o

Figura 2.18: Mdulos de los reguladores Digitric 500. o

14

El mdulo correspondiente a la interfaz serie se muestra en la Figura 2.17. o

34


Mediante el esquema mostrado en la Figura 2.19, se pueden conectar diferentes dispositivos a la base de conexin de seales de los reguladores Digitric 500 [Digitric b, 2000]. o n

Figura 2.19: Base de conexin de Digitric 500. o

1 2 3

21 Vent Entrada de la fuente de alimentacin o Puerto binario 1 (un puerto binario puede ser usado como entrada o o salida binaria

7 8 9 10 11 12 14

Entrada analgica 1 o Entrada analgica 1 o Entrada analgica 1 o Entrada analgica 2 o Entrada analgica 2 o Entrada analgica 2 o Salida analgica 1 o

AO01 AI01 AI02 B B01,02 B03,04 21-Vi nt 24-V: ext

Salida analgica (0/4...20 mA) o Entrada universal Entrada adicional Conector en caso de transmitir de fuente por la terminal 1 Entrada o salida binaria Salida de relevador Fuente de alimentacin de 2 cables o Fuente de alimentacin externa o

4 5 6

Puerto binario 2 Potencial cero Entrada analgica 1 o

2.2.4.

Transferencia de datos de los reguladores

De las caracter sticas de los reguladores, cualquier nmero de dispositivos pueden u especicarse para operar en un solo bus. El nmero de dispositivos depende de la tecnolog u a


35

de transmisin usada: o - RS232 para conexin con un maestro (conguracin computadora o modem). o o - RS495 para conexin mxima de 32 equipos (incluyendo el maestro). o a

Caracter sticas del mensaje (frame) El telegrama comprende una serie de informacin de 1/0. El valor transmitido se o divide en un byte (8 bits). Cada uno de estos bits se complementa por: 1 bit de inicio, opcional 1 bit de paridad, 1 bit de paro [Digitric 500, 2001]. El mensaje del MODBUS para el regulador de control tiene la siguiente estructura: pausa direccin funcin o o 1 byte 1 byte dato n bytes error 2 bytes pausa

Funciones Esta caracter stica del mensaje de datos del MODBUS determina los cdigos que o soporta el regulador de control Digitric 500. En la Tabla 2.4 se muestra el valor de cdigo o de funciones, la designacin del cdigo y la funcin que realiza dentro del mensaje de o o o transmisin MODBUS [Digitric 500, 2001]. o Tabla 2.4: Funciones permitidas del regulador Digitric 500. Cdigo Designacin o o 01 03 04 05 06 15 16 Read coil status Read holding registers Read input registers Force single coil Preset single register Force multiple coils Preset multiple registers Funcin o Lectura de valores binarios Lectura de valores real, enteros, doble enteros Corresponde a la funcin 03, el cual es preferible o Conjunto de valores binarios. Conjunto de valores enteros. Conjunto de valores binarios sucesivos. Conjunto de valores enteros sucesivos.

36 Rango de valores


En la Tabla 2.5 se muestran los tipos de datos que soportan los reguladores de control, los cuales son de tipo real, entero, doble entero y booleano. Los de tipo real trabajan en el formato IEEE (32 bits) y requiere de una conversin o para su lectura (ejemplo en LabVIEW ). Los datos de tipo entero y doble entero no requieren de conversin, por ultimo, los datos de tipo booleano, se usan para instrumentos o donde se requieren dos estados (on-o) [Digitric 500, 2001]. Tabla 2.5: Rango de valores del regulador Digitric 500. Valor Real Entero Doble entero Booleano Rango -1 175 494.35e38 ... 0 ... 3 402 823.47e39 -32 768...0...32 767 -2 147 483.674 ... 0... 2 147 483.647 0y1

2.2.5.

Registro de MODBUS

La informacin necesaria de las direcciones o registros para enviar/recibir datos de o la instrumentacin de la columna de destilacin hacia la computadora, se obtiene a paro o tir de las caracter sticas tcnicas y los mdulos conectados a los reguladores de control, e o as mismo, el uso del diagrama elctrico del manual de usuario de la columna de desti e lacin [E.Veneta, 1998] y del manual de la interfaz del regulador de control Digitric 500 o [Digitric 500, 2001]. En la primer columna de la Tabla 2.6 se proporciona las direcciones o registros que se identican en el protocolo MODBUS, en la segunda columna su clasicacin, la tercer o columna indica el tipo de dato que soporta, la cuarta columna indica la descripcin f o sica de conexiones del mdulo y por ultimo, en la quinta columna se proporcionan las siglas o de los dispositivos conectados. En algunas direcciones de registro se proporciona la conexin de dos dispositivos. o Cada dispositivo se podr leer/escribir mediante la identicacin de las direcciones del a o


37

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

38


Cap tulo 3 Dise o y desarrollo de la estacin de n o monitoreoEn este cap tulo se describe el desarrollo de la estacin de monitoreo de la planta o piloto de destilacin, el diagrama jerrquico del programa de la estacin, los diagramas de o a o bloques desarrollados mediante la herramienta comercial LabVIEW y el uso del protocolo de comunicaciones MODBUS que es parte integral en el diseo de la estacin de monitoreo. n o En la Seccin 3.1 se enumeran las herramientas utilizadas para desarrollar el sistema o de monitoreo, se explican los diagramas de bloques para realizar las tareas de adquisicin, o presentacin y almacenamiento de datos de la instrumentacin de la planta piloto de o o destilacin. o

39

40

CAP ITULO 3. DISENO Y DESARROLLO DE LA ESTACION DE MONITOREO

3.1.

Diagramas de bloques

Para el monitoreo y control de la planta piloto de destilacin, se requiere de una o programacin que proporcione una interfaz grca y amigable al usuario, para esto se o a utiliz LabVIEW , que es un programa de cmputo para realizar las tareas de adquisicin, o o o anlisis y presentacin de datos. a o Adicionalmente se utilizan algunas herramientas que permiten el desarrollo de la estacin de monitoreo: o MODBUS Library. Librer encargada de lectura/escritura a dispositivos sobre una a red de comunicaciones MODBUS. LabVIEW PID Control Toolset. Esta herramienta permite implementar algoritmos de control realizados en Simulink . Combina las funciones del control PID y de lgica o difusa. LabVIEW Report Generation Toolkit. Provee la herramienta para crear y editar reportes en formato Microsoft Word y Excel.

El ambiente jerrquico generado para la estacin de monitoreo se muestra en la Figura a o 3.1. Permite la lectura y/o escritura a los diferentes dispositivos de la planta piloto de destilacin, mediante el ciclo peticin-respuesta de MODBUS (ver la Figura 2.2). En el o o ambiente jerrquico, la estacin de monitoreo tiene la capacidad de funcin como sistema a o o maestro, el cual solicita a los dispositivos esclavos (reguladores de control Digitric 500) la informacin de datos y/o la ejecucin de acciones a la instrumentacin de la o o o planta piloto, mediante el protocolo de comunicaciones MODBUS. En el diseo de la estacin de monitoreo se tienen cuatro principales operaciones a n o realizar: la primera de ellas corresponde a la aplicacin de control de botones y barra o de men. La segunda aplicacin se encarga de leer/escribir datos a la instrumentacin u o o conectada a los dispositivos Digitric 500. La tercera aplicacin almacena los datos de todas o las variables implicadas en la destilacin y por ultimo el subprograma que contiene las o aplicaciones llamadas desde la barra de men o botones. A partir de estas consideraciones u se genera un diagrama de ujo principal encargado de monitorear y manipular los dispositivos de la columna de destilacin. Estas acciones se ejecutan simultneamente utilizando o a ciclos While como se muestra en el diagrama de ujo principal de la Figura 3.2.

3.1. DIAGRAMAS DE BLOQUES

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MAESTRO

Estacin de monitoreo Formato

Ciclo peticin-respuesta MODBUS ESCLAVOS Digitric 500

Manejador de registros

Sensores de temperatura

Control TIC1

Control LIC1

Control PIC1

Actuadores

Figura 3.1: Jerarqu de la estacin. a oInicioInicializar controles e indicadores1

Aplicacin control botones

MODBUS escritura lectura

Aplicacin guardar datos

Aplicacin Ejecutar acciones

No1

Salir programa principal

Si Cerrar aplicaciones Fin

Figura 3.2: Diagrama de ujo principal.

A continuacin se explican los bloques que integran el diagrama de ujo principal o o mostrado en la Figura 3.2 para el desarrollo de la estacin de monitoreo:

42


3.1.1.

Inicializar controles e indicadores

Este subprograma se encarga de asignar un valor igual a cero a los controles1 e indicadores de la pantalla principal del sistema de monitoreo, antes de ejecutar la aplicacin de o lectura/escritura de dispositivos. Los controles de tipo booleano se inicializan a un estado apagado(o), con la nalidad de no activar ningn dispositivo antes de iniciar la maniu pulacin de la columna. Posteriormente se comprueba que la comunicacin y conguracin o o o del puerto serie est correcta, para esto, se deshabilitan algunas aplicaciones de la barra e de men y botones de la estacin de monitoreo, con esto se asegura vericar la conexin u o o y conguracin del puerto serie. Se incluye la rutina para leer la conguracin del puerto o o serie del protocolo MODBUS y adems un mensaje de error cuando la comunicacin entre a o la computadora y la columna de destilacin es incorrecta. La Figura 3.3 muestra el proceso o del subprograma de inicio de controles e indicadores.Inicio Inicializar controles e indicadores Deshabilitar barra de botones y men Leer configuracin puerto serie Crear arreglos de datos Salir

Figura 3.3: Subprograma, inicializar controles e indicadores.

3.1.2.

Aplicacin control de botones o

Se lleva a cabo mediante el uso de estructuras de eventos, que consta de uno o ms a subdiagramas o casos. El valor conectado a la terminal de seleccin de la estructura de o eventos determina cual caso debe ejecutarse utilizando los iconos de la barra de botonesEl trmino de controles, que se usa en ste cap e e tulo y sus secciones, indica un dispositivo grco a dentro de la pantalla principal de la estacin de monitoreo y que permite manipular dispositivos f o sicos de la columna.1

3.1. DIAGRAMAS DE BLOQUES

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o desde la barra de men. El proceso a seguir verica cual icono fue seleccionado, ejecuta u la accin llamando al subprograma VI Aplicaciones. Si es accionado otro programa, o verica cual fue y a ejecuta la accin, en otro caso, este programa se encuentra en un o tiempo de espera hasta ser solicitado (ver Figura 3.4).Inicio

Cual botn se activo?

Ejecutar Subprograma VI Aplicaciones

Se activo otro botn?

Si

No Salir

Figura 3.4: Subprograma, control de barra de botones o men. u

3.1.3.

Lectura/escritura de las variables mediante MODBUS

Este subprograma se encarga de leer y/o escribir datos a cada dispositivo de la columna de destilacin, mediante el protocolo de comunicaciones MODBUS, la herramienta o MODBUS Library y los registros de instrumentacin con la que cuenta la planta piloto o (ver la Tabla 2.6). Consiste de seis subrutinas que se ejecutan secuencialmente para escribir/leer los datos de cada dispositivo de la columna utilizando el ciclo peticin-respuesta del MODBUS (ver o Figura 2.2) enviadas en tiempo real a cada indicador de la estacin. o El proceso consiste en ejecutar actividades secuencialmente, las dos primeras se encargan de la lectura de datos provenientes de los dispositivos analgicos (ejemplo: sensores o de temperatura, nivel, etc.) conectados al regulador 1 y posteriormente los del regulador 2. La tercera y cuarta secuencia se encargan de escribir datos a los dispositivos analgicos o conectados a los reguladores 1 y 2. Las dos ultimas secuencias tienen la nalidad escribir datos tipo on/o de los dispositivos conectados a los reguladores 1 y 2. En la Figura 3.5, se muestra el diagrama a bloques de este subprograma.

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Inicio

Leer dispositivos analgicos del regulador 1 y 2 Escribir a dispositivos analgicos del regulador 1 y 2 Escribir a dispositivos boleanos del regulador 1 y 2

Salir de la estacin?

No

Si Salir

Figura 3.5: Subprograma, leer y/o escribir datos de instrumentos.

3.1.4.

Aplicacin guardar datos o

Este subprograma se encarga de alm

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