RESUMEN
El sistema de automatización global debe entonces integrarse, trabajar en forma inteligente y coordinada con el fin de responder rápidamente y con el menor costo posible ante cambios en el proceso de producción. Entonces, cuando en un aula de clase se desea hacer control supervisorio sobre un proceso, se hace necesario describir y observar los procesos de la forma más cercana a la realidad. Esto podría implicar la implantación de plantas pilotos, sistemas de adquisición de datos y tal vez la escritura de complejas estrategias de control en algún lenguaje de Programación[2]. Sin embargo, hoy en día se dispone de herramientas de programación para computadoras personales, tanto para desarrollar modelos, simulación y optimización de procesos, así como para crear instrumentos virtuales y controles que permitan una interfaz humano – máquina (HMI), tal que se obtenga en forma virtual una representación del proceso real.
El presente trabajo integra las herramientas de programación MatLabÒ y LookoutÔ tal como se describe en [2], donde MatLab permite la simulación y control del proceso real y Lookout desarrolla la interfaz humano-máquina, con el objetivo de simular el sistema de supervisión y coordinación de un proceso de mezclado de dos líquidos.
La presentación del trabajo está estructurado de la siguiente manera:
1. INTRODUCCIÓN
La utilización de programas de computación para modelar y simular procesos, ha constituido en los últimos años una herramienta para observar el comportamiento de un proceso y el desempeño de las estrategias de control. Sin embargo, la complejidad propia de muchos sistemas hace imposible la observabilidad de algunos eventos, además de la presencia de estados indeseables. La razón fundamental de estos problemas se debe a que no existen técnicas definidas para modelar máquinas de estados finitos, y por lo tanto, aún con la existencia de herramientas computacionales que permitan el modelado de máquinas elementales y la depuración de la concatenación de varias máquinas elementales, sigue siendo un problema de ingeniería la definición del supervisor.
2. EL PROCESO DE MEZCLADO.
El control de un proceso de mezclado es un problema industrial que implica la definición de elementos o variables tales como proporción de la(s) mezcla(s), cantidad de producción, niveles apropiados vertidos sobre el mezclador, temperatura, presión, etc. Además se debe reconocer si el proceso se lleva acabo en forma continua o discreta, o en forma mixta, es decir por lotes de producción. Una vez que se han establecido tales parámetros es posible definir estrategias de control que permitan la realización o el cumplimiento de consignas de producción y de planificación industrial. En el caso que se plantea se tiene que el esquema de producción es un procesamiento en lotes. Un proceso en lotes recibe un conjunto de materia prima, la cual es transformada en un nuevo producto mediante mezclas y aplicación de energía. Una vez terminado el proceso, éste se inicia nuevamente. Este tipo de proceso se encuentra mayormente en la industria siderúrgica, en la industria de alimentos y en gran parte en la industria química. Mientras cada lote se desarrolla, el proceso es un proceso continuo, el cual tiene como finalidad mantener un nivel en el tanque de mezclado (Tank3) alrededor de un nivel seleccionado por el operador de la planta obedeciendo las consignas de planificación.
2.1. Modelo del proceso de mezclado.
Para modelar el proceso de mezclado de la figura 1, es necesario establecer las consideraciones del problema en estudio, así como la dinámica de mezclado para mantener el equilibrio sobre el nivel deseado del tanque 3 (Tank3).
Inicialmente, los flujos de entrada a los tanques 1 y 2 (Tank1 y Tank2, respectivamente) son iguales, lo que trae como consecuencia una mezcla, en Tank3, del 50%. Otra condición importante del proceso es establecer el tiempo de mezclado, y con ello se define la cantidad de la mezcla, asumiendo que el tiempo de mezclado es proporcional a la cantidad de flujo suministrado a los tanques a través de las válvulas de entrada a Tank1 y Tank2 tal como se muestra en la figura 1.
Estas consideraciones han sido tomadas en cuenta asumiendo el control del proceso desde la HMI (Lookout), sin embargo, la simulación del proceso se hace desde Simulink (MatLab). Para llevar a cabo tal simulación es necesario determinar la ecuación diferencial que rige el comportamiento de llenado y vaciado de un tanque con válvulas de entrada y salida, tal como se muestra en la figura 1.
2.2. Balance de masa.
La diferencia de masa entre la entrada y la salida de Tank1 es igual a la masa que se almacena en el tanque, por tanto:
(1)r es la densidad del fluido
fi es el flujo de entrada
fs es el flujo de salida
y dado que la masa m es igual al volumen por la densidad (m = v*r ) y a su vez el volumen del líquido contenido en el tanque es igual al producto del área y la altura del tanque (v = A*h1(t)), sustituyendo estas expresiones en (1) se tiene:
(2)
es la variación
con respecto del tiempo del nivel contenido en el tanque
A es el área del tanque
fi es el flujo de entrada
representa
el flujo de salida
De la ecuación (2) se obtiene el siguiente diagrama de bloques
Con este diagrama de bloques es posible simular el proceso de mezclado que se muestra en la figura 1. Para obtener el enlace entre MatLab y Lookout se crea una función DDE que permite la transferencia de datos entre estas dos aplicaciones.
3. MODELADO DE LA PLANTA.
A pesar que no existe un procedimiento normalizado para modelar una planta como una máquina de estados discretos, es posible seguir algunas indicaciones para lograr el fin buscado, para ello se deben seguir los siguientes pasos:
1.)Encontrar "estados" y transiciones (usar máquinas elementales)
2.)Componer máquinas elementales (modelo de la planta)
3.1. MODELO DE ESTADOS DISCRETOS DEL PROCESO
Supóngase una planta como la que se muestra en la siguiente figura:
En ella se pueden observar tres elementos que la conforman, válvula 1 (V1), válvula 2 (V2) y el tanque (T), entonces es preciso definir "estados" y transiciones que modelen el comportamiento de cada uno de los elementos que conforman la planta, así se tiene que:
En la figura que corresponde a la válvula 1 se puede ver que solamente tiene dos estados, abierto y cerrado (1, 0), igual para la válvula 2, sin embargo en la figura que corresponde al tanque (T) se pueden observar cuatro estados (bajo (0), normal (1), alto (2), desborde(3)).
A través del producto sincrónico alcanzable de V1 y V2, se crea una nueva máquina de eventos discretos (DES: Discrete-Event System), y luego con esta nueva DES y T se obtiene maq1, la cual es el modelo de la planta definida como un DES.
Sin embargo esta planta no tiene un comportamiento deseado, por lo que se hace necesario especificar la conducta del tanque para el proceso de llenado y el proceso de vaciado, dichas conductas se muestran en las siguientes figuras:
De la figura 5.(a) se puede observar que solamente ocurre la transición 30 después de la ocurrencia de la transición 11, esto quiere decir que el tanque pasará de vacío hacia el nivel bajo si se abre la válvula 1, igual análisis tendría efecto para las transiciones 34 y 38, es decir el tanque se llenará si se abre la válvula 1.
De la figura 5.(b) se puede observar que solamente ocurre la transición 40 después de la ocurrencia de la transición 21, esto quiere decir que el tanque pasará de desborde hacia el nivel alto si se abre la válvula 2, igual análisis tendría efecto para las transiciones 36 y 32, es decir el tanque se vacía si se abre la válvula 2.
Mientras que si ocurre una transición 23 (cierre de la válvula 2) únicamente ocurrirán las transiciones de llenado del tanque (30, 34 y 38).
De la figura 5.(a) se tienen tres especificaciones de conducta, una para cada transición de un nivel a otro, lo mismo ocurre con la figura 5.(b). Con cada una de estas conductas se hace un producto sincrónico alcanzable para crear una nueva máquina de eventos discretos, la cual representa la conducta deseada de la planta sobre la cual se hará control.
Al obtenerse la especificación de conducta deseada de la planta o proceso es posible entonces desarrollar una HMI adecuada en donde se pueda tener control sobre los diferentes elementos que conforman el proceso sin que el desarrollo del mismo se vea afectado por conductas no deseadas y conductas no controlables.
4. INTERFAZ HUMANO-MAQUINA EN LOOKOUT.
Para la interfaz humano-máquina (HMI) del proceso de mezclado se creó un objeto datatable en Lookout para recibir los datos del proceso de mezclado simulado en MatLab y que son enviados a través de la función DDEULA[2]. Dado que la HMI se presenta en Lookout es desde esta pantalla de donde se generan los controles del proceso.
5. IMPLANTACIÓN DEL SISTEMA Y RESULTADOS.
La comunicación que se establece entre MatLab y Lookout se lleva a cabo desde dos computadores conectados en red (red tipo ETHERNET), tal como se muestra en la figura 7, donde en una computadora se tiene el proceso simulado en MatLab y en la otra la HMI. La comunicación se establece usando el protocolo de comunicación intercambio dinámico de datos (DDE) y la interfaz netdde de windows.
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
El desarrollo de herramientas de simulación de Procesos Industriales como elementos de conceptualización y diseño de la arquitectura de control, permiten la construcción de sistemas integrados de automatización, y son una solución para el manejo y comprensión de la complejidad propia de sistemas a controlar.
Las unidades de tiempo de simulación no corresponden con las unidades de la escala de tiempo real, sin embargo el comportamiento del proceso no se ve afectado.
El estado de la tecnología en herramientas de programación y simulación de Procesos Industriales permite inferir el desarrollo de tales herramientas dado su bajo costo, fácil aplicación y la posibilidad de contar con modelos representativos, aún en sistemas de alto riesgo.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[2] Calderón-Vielma J., Viloria F., Cárdenas O., Camacho O., Chacón E. Integración de Herramientas de Programación para Enseñanza de Procesos. XVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Químíca. San Juan, P.R. Diciembre 6-10. 1998
[4] Smith C., Corripio. Control Automático de Procesos. Adisson Wesley.
7. RECONOCIMIENTO
Al Laboratorio de Investigación y Desarrollo en Automatización e Instrumentación (LabIDAI) y al Laboratorio de Sistemas Distribuidos y Automatización Industrial y (LaSDAI) de la Universidad de Los Andes en Venezuela, donde se realizaron las implantaciones del trabajo