47-48 Juan Jose Espinoza Amaro - Octavio Perez Alvarez

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.


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


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


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.


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

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con la fin

2.2 Co

Por los p

estos plat

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estén present

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14

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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


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.


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


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 .


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.


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


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.


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


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


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+ = =


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

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3 Caract

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2 Planta

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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


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.


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.


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.


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


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.


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


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.


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


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.


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


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


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




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.


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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49

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• 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


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.


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


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.


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.


54


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


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.


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.


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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pro

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4 Placa-D

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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.

NC

Opt

IO

5V

AIG

ND

.

AIGND

5V

AIG

ND

ACH8

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AiG

ND

AIGND

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C_MOD_FIDE2x5

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OD

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E2x5

C_M

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_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


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.

Automatiza

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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.


68

Figura 5-6 Diagrama de flujo de la secuencia de procesos de control y actualización de la 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.


70

Figura 5-7 Diagrama de bloques del control de cada lazo


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.


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

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b. La Figura

n Scicos.


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-

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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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79

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instruction.chan = EV1;

instruction.value = block->inptr[0][0];

fd = open(daqFifo, O_WRONLY);

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


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


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

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6.7 Co

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82

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6 Sistema

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.

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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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20

20

20

20

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98 0

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0 a 200°C

0 a 200°C

0 a 200°C

0 a 200°C

0 a 200°C

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0.15°C

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0.15°C

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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.


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


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

≈+


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.


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)


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= −


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.


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


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


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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Para mo

ntrol del flujo

Para val

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1 Contro

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nstante. El m

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Figura 8-1.

En [Val

r la función d

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PPD, asegu

y sea operab

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o de agua al

lidar la nuev

stilación, se

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ol del flujo

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manual de la

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ble por los u

ctividad del c

condensado

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El flujo de ag

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8-1 Lazo de co

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los datos y

ntroladores D

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31+

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apítulo se po

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na bomba ex

lectrónico FI

lazo de cont

ondensador

alón y se apr

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de acuerdo

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I1 proporcio

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roximó el sis

con el

a los

zos de

n.

ha un

os de

nsador

a para

PPD y

ona la

tra en

stema


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

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bos casos el

a)

Figu

obar el contr

os demás pa

comparan las

control PI

r en la Figu

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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

del lazo ant

como las señ

ontrolador P

o fue de 25 s

20 25

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egundos al 5

30 35

trol #1

0.024 y se ag

en su valor

o en escalón

or en ambos

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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


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

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alón a partir

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trol se imple

Figura 8-4.

cias dadas pr

ndo Scilab

estreo de 0.2

Figura 8-4

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n la PPD, co

uar con él.

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El bloque n

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2 segundos y

𝐺 (𝑠)

Controlador

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105

az con Sc

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40 l/h a 100

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or PI en tiem+ 0.034𝑠

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107

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A

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8.2 Co

Los parám

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puso la re

un valor

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ación de una co

ra 8-7 Prueba

A partir de la

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108

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de la interfa

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se determinó

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TAI-Lab

olador PI de

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)


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


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


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


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


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


Tiempo en minutos


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



Cpiloto Digitric

0 10 20 30 40 50 60 70 8020

30

40

50

60

70

80

Tiempo en minutos



Cpiloto Digitric

0 10 20 30 40 50 60 70 8020

30

40

50

60

70

80

Tiempo en minutos



Cpiloto Digitric


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


Tiempo en minutos


Cpiloto Digitric

0 10 20 30 40 50 60 70 8020

30

40

50

60

70

80

Tiempo en minutos



Cpiloto Digitric

0 10 20 30 40 50 60 70 80 20

30

40

50

60

70

80

Tiempo en minutos



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



Cpiloto Digitric


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


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


Tiempo en minutos


Cpiloto Digitric

0 10 20 30 40 50 60 7020

30

40

50

60

70

80


Tiempo en minutos


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


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



Cpiloto Digitric

0 10 20 30 40 50 60 7020

30

40

50

60

70

80


Tiempo en minutos


Cpiloto Digitric

0 10 20 30 40 50 60 7020

30

40

50

60

70

80

Tiempo en minutos



Cpiloto Digitric


122

g) Comparación de temperatura registrada en el indicador de temperatura 7



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


Tiempo en minutos


Cpiloto Digitric

0 10 20 30 40 50 60 7020

30

40

50

60

70

80

Tiempo en minutos



Cpiloto Digitric

0 10 20 30 40 50 60 7020

30

40

50

60

70

80

Tiempo en minutos



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


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


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.

[AW90] K. J. Åstrom and B. Witenmark. Computer controlled system – Teory and design, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1990.

[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.


130

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[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.

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[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


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 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


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


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


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



CV-12(B0), CV12(B0) CV+12_AMP1(E3) CV-12_AMP1(E4) CV+12_AMP2(D2) CV-12_AMP2(F1)

.1uF a 50V


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 Multiplexor triple de 2 canales MUX(E5) 4053


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


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


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


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



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.


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


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


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


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”.


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


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


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


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


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:


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


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


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.


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


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


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


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.


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


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


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


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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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:

• Periodomuestreemplea cuenta a

• Actualiesquemperiodo

• GuardaprocesoOpenOfdesactiv

• Archivoen que para facalojará /cpiloañade aarchivo en formaplicaci

e en la b

o de muesteo y acción

en el algoral calcular lo

izar cada: mático, las g

s de muestre

ar registro o en un archifficce Spreavada.

o: Cuadro dse guardará cilitar la esp

el archivoto/cpilotautomáticam

especificadma de tabla ión se separa

arra de he

treo: Lapsode control

ritmo de coos parámetro

La interfagráficas de meo indicados

en disco: Iivo de texto dsheet para

de texto en qel registro d

pecificación o. De forto-dd-mm-

mente la extedo. Csv es u

separando an con el car

Figura 0

13

erramientas.

de tiempo . El valor e

ontrol PID ios del contro

az actualizamagnitud-ties aquí.

Indica si seque puede sun análisis

que se especdel proceso.

de la ruta rma predethh (día-mensión csv (

un tipo de dolas columna

racter tabulad

0.5 Ventana p

Se puede

en segundestablecido ntegrado, po

olador.

a el valor empo, y el

e desea llevser importadposterior. D

cifica el nomEl botón del sistema

terminada ses-hora de i(comma-sepaocumento seas con comador).

referencias

MAN

n modifica

dos entre cadel periodoor lo que d

mostrado archivo de

var un registdo como tab

De forma pre

mbre y ubica abre un c

de directorise guarda inicio de laarated valueencillo para as u otros c

NUAL DE USU

ar las sigui

ada operacióo de muestredeberá tener

en el diagregistro ca

tro el estadla de datos d

edeterminada

ación del arcuadro de diios de don

en el ara aplicaciónes) al nombrrepresentar caracteres (E

UARIO

ientes

ón de eo se se en

grama ada N

do del desde a está

rchivo álogo

nde se rchivo n). Se re del datos En la

Automatiza

Para

menú Arc

botón ace

y active

prelimina

Salir Para salir

botón Sa

confirma

de algún

ación de una co

ver el arch

chivo y sele

eptar. En la

la casilla T

ar del archiv

Figura

r de la aplic

alir de la b

ción que ap

n lazo se m

olumna de dest

hivo de regis

ccione la op

ventana que

Tabulador, e

o importado

a 0.6 Ventana

cación abra e

barra de h

arece (Figur

mostrará el

tilación

stro inicie l

pción abrir,

e aparece en

n la parte i

o.

a para import

el menú inte

herramientas

ra 0.7). Si la

cuadro de

14

a aplicación

seleccione e

pantalla (Fi

inferior de e

tar texto de Op

erfaz y selec

y respond

a aplicación

información

n OpenOffice

el archivo de

igura 0.6) de

esta ventana

penOffice Spr

cione la opc

da afirmativ

se encuentr

n de la Fig

e Spheadshe

e registro y

esactive la ca

a se muestra

readsheet

ción salir, o

vamente al

ra realizando

gura 0.8. Es

eet, abra el

presione el

asilla Coma

a una vista

presione el

cuadro de

o el control

s necesario

des

pro

CoEl m

diag

sconectar ant

oceso se lleve

F

Figura

ontrol menú contro

grama esque

• Monitopuede i

• Controesquemabierto

tes la aplica

e a un estado

Figura 0.7 Cu

a 0.8 No se pu

ol se muestr

emático.

oreo: Realizinteractuar c

ol Manual:mático se act

.

ación median

o seguro.

uadro de diálo

uede salir de l

a en la Figu

za únicamencon el proces

Los botontivan permit

15

nte la opción

ogo para confi

a aplicación s

ura 0.2.b, con

nte la actualiso desde el d

nes y las btiendo intera

n desconect

irmar la salida

in antes desco

n el se espec

ización del ddiagrama esq

barras de deactuar con la

MAN

tar para aseg

a de la aplicac

onectarse de la

cifica el mo

diagrama esqquemático.

esplazamiena planta de d

NUAL DE USU

gurarse de q

ción

a interfaz

do de contro

quemático. N

nto del diagestilación en

UARIO

que el

ol del

No se

grama n lazo


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:

des

de c

(mo

Poi

• Manual:enviar a

• Automá• Monitor

trabajarseñal dey las bael contr

De forma p

sde el contro

control gene

odo de moni

Especifiqu

int). Para in

: Se abre el al actuador. Eático: Se actireo. Se desacr con el lazo,e control quearras de progrol del lazo s

predetermina

ol automático

erado por el

itoreo).

Figu

ue el valor

ndicar el va

lazo y mediEl controladva el control

ctiva el contr, únicamentee recibe el a

greso. Este mseleccionado

ada está acti

o o el modo

controlador

ura 0.10 Con

de referenci

alor de la v

17

ante la barrador PID está lador PID parolador PID e se muestraactuador medmodo se empo.

vada la opci

de monitore

PID (modo

nfiguración de

ia empleand

variable con

a de deslazadeshabilitadara trabajar ey la barra de

a el valor de diante los diplea si se tien

ión manual.

eo se mantie

automático)

e los lazos de c

do la barra

ntrolada se t

MAN

amiento Y sedo en lazo cerrae deslazamiela variable cagramas de ne otra aplic

Al cambiar

ene el último

o por otra a

control

de desplaz

tiene una b

NUAL DE USU

e define la se

ado ento. No se pcontrolada ymagnitud-ti

cación que re

r al modo m

o valor de la

aplicación ex

zamiento SP

arra de pro

UARIO

eñal a

puede de la empo ealiza

manual

señal

xterna

P (Set

ogreso


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

r[k]

y[k]

+

+ _

+

Z-1

++

u[k]

+

TTr

+

+

+ +

v[k] _

_

_ +_

Z -1

Z-1

P

i

K TT

d

d

TT NT+

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.


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

par

Par

Dia

Los botone

detienen el ci

botón aplicar

agramas emás de los

ra monitorea

ra crear una

agrama histó

Figura 0

es Abrir y Ce

iclo de apert

r.

históricodiagramas h

ar y compara

nueva venta

rico. Se pres

0.13 Program

errar abren y

tura-cierre pr

o históricos de

ar los valore

ada de moni

sentará la ve

21

mación de la E

y cierran res

rogramado. P

e la ventana

es de los se

itoreo abra e

ntana Nuevo

Electroválvula

pectivament

Para iniciar

de control,

ensores y señ

el menú opc

o diagrama m

MAN

a de reflujo

te la electrov

el ciclo nuev

puede crear

ñales de con

ciones y sele

mostrada en l

NUAL DE USU

válvula de re

vamente pre

r nuevas ven

ntrol dispon

eccione la op

la Figura 0.1

UARIO

eflujo

esione

ntanas

nibles.

pción

14.

Automatiza

Esta

columna

interfaz e

izquierda

seleccion

Emp

límite su

establece

ejemplo,

graficar s

Una

Aceptar

seleccion

ación de una co

Figura 0.1

ventana con

de destilaci

electrónica.

a que se deb

nar hasta 12 v

pleando los c

uperior respe

en el rango q

Ymin = 20 y

señales de co

vez seleccio

para crear

nadas. Cuand

olumna de dest

4 Ventana “N

ntiene dos li

ión y Salida

Para cada

be marcar co

variables a g

cuadros de

ectivamente

que tendrá la

y Ymax = 10

ontrol.

onadas las v

una nueva

do termine de

tilación

Nuevo trend”

istas: Entrad

as analógica

elemento d

on un doble

graficar en u

texto Ymin

esperados d

a gráfica (los

00 para graf

variables a g

a ventana c

e crear todos

22

para crear un

das analógic

as que conti

de las listas

e clic si su v

na misma v

y Ymax se

de las variab

s valores pre

ficar tempera

graficar y aj

con un diag

s los diagram

n nuevo diagra

cas que cont

ienen las se

aparece un

valor se des

ventana.

especifican

bles seleccio

edeterminad

aturas y Ymi

ustado el ra

grama histó

mas, presione

ama histórico

tiene los sen

eñales de co

n pequeño c

sea graficar.

el límite in

onadas y, po

os son de 0

in = 4, Ymax

ango, presion

órico de la

e el botón ce

nsores de la

ontrol de la

cuadro a la

Se pueden

nferior y el

or lo tanto,

a 100). Por

x = 20 para

ne el botón

s variables

errar.

sele

cier

ArPer

AyEl

Ace

En la Figu

eccionaron l

rre su ventan

rchivo dermite ver el a

yuda menú ayuda

erca de… mo

ura 0.15 se

las variables

na.

Fi

historialarchivo de re

a mostrado e

ostrada en la

e muestra la

de TI7 a TI

igura 0.15 Eje

l egistro gener

en la Figura

a Figura 0.16

23

a ventana de

I8. Para elim

emplo de un d

rado en form

a 0.2.d perm

6.

e un diagram

minar un dia

diagrama histó

ma de tabla.

mite acceder

MAN

ma histórico

agrama histó

órico

a la ventan

NUAL DE USU

o para el cu

rico simplem

a de inform

UARIO

uál se

mente

mación

Automatiza

EjemplSi se des

control d

seguir los

• A• A

he• Se

co• Fi• Fi• A• C

ación de una co

lo de opesea tener el

e uno o más

s siguientes p

Abrir el menúAbrir la vent

erramientas eleccionar eorrespondienijar el modoijar el modo

Ajustar los vaConectar la in

olumna de dest

Figu

eración control de

s lazos, por e

pasos:

ú Control y stana Lazos

el lazo de cnte de control d de control y

alores de los nterfaz

tilación

ura 0.16 Ven

la columna

ejemplo del l

seleccionar ede control

ontrol Flujo

de ese lazo ey los parámecomponente

24

ntana “Acerca

de destilaci

lazo de flujo

el modo de cpresionando

de enfriam

en Monitoreoetros de los des de lazo ab

de…”

ión pero dej

o de agua de

ontrol Manuo el botón C

miento dando

o demás lazos bierto en el d

jar a otra ap

enfriamient

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



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


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

den loadrt

ar Scilab intr

scicos.

modelo ciona un edi

o los bloqu

paletas de ac

menú edit y

gura 0.1).

ruir el diagr

Sources, sele

ma operativo

taimod en u

roduzca la o

itor gráfico

ues disponib

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

MANUAL DE

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


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.


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


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

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47-48 Juan Jose Espinoza Amaro - Octavio Perez Alvarez