RESUMEN
Este trabajo tiene como finalidad presentar un ejemplo práctico de la integración de aplicaciones de programación utilizadas para simulación y supervisión de procesos. Aquí se presenta la interconexión de dos aplicaciones utilizadas en el área de automatización e instrumentación como son el MATLABâ y el LabVIEWâ . Se pretende integrar un proceso simulado en MATLABâ a través de una interfaz humano-máquina (IHM) creada en LabVIEWâ . El sistema que servirá de ejemplo es un reactor exotérmico de agitación continua (CSTR). A través de la creación de sistemas integrados de esta forma es posible observar el efecto de variaciones del punto de operación del proceso o de los parámetros del controlador, en el proceso. También es posible observar la influencia de la instrumentación en el sistema.
1. INTRODUCCIÓN
La representación matemática permite al ingeniero conocer cuantitativamente la relación de las variables de interés que intervienen en un proceso. A través de la simulación computarizada de estas ecuaciones es posible observar además, el comportamiento dinámico en el tiempo de dichas variables. La simulación digital se ha convertido en herramienta importante en el conocimiento de los procesos y en el desarrollo de técnicas de control. Una de las ventajas principales es que se pueden hacer pruebas sobre las simulaciones y obtener respuestas aproximadas a la realidad que ayudarán a decidir la incorporación o no de estos cambios al proceso real.
Este trabajo tiene como finalidad presentar un ejemplo práctico de la integración de aplicaciones de programación utilizadas para simulación y supervisión de procesos. Aquí se presenta la interconexión de dos aplicaciones utilizadas en el área de automatización e instrumentación como son el MATLABâ y el LabVIEWâ . El sistema que servirá de ejemplo es un reactor exotérmico de agitación continua (CSTR).
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Se pretende integrar un proceso simulado en MATLABâ a través de una interfaz humano-máquina (IHM) creada en LabVIEWâ .
En el MATLABâ se simulará el proceso. De esta forma se asumirá que las salidas de la planta serán las salidas del MATLABâ . A través del LabVIEWâ se podrá observar el comportamiento en el tiempo de las variables de interés del proceso. Además se podrá intervenir de forma manual en el sistema y variar los parámetros del controlador.
El proceso sobre el cual se hizo la integración es un reactor exotérmico de agitación continua (CSTR). Este sistema consta de un tanque reactor y debido a que la reacción es de tipo exotérmica, el tanque posee una chaqueta de enfriamiento. Un esquema del sistema se puede observar en la figura 1.
El modelo tomado de Smith y Corripio (1997) [1], asume que
El controlador empleado para mantener x2 en el valor deseado es un controlador proporcional integral (PI), el cual presenta la siguiente ecuación :
3. MODELO MATEMÁTICO DEL PROCESO
Las ecuaciones matemáticas representativas del proceso CSTR se obtuvieron aplicando balances de masa y energía. Las ecuaciones y los valores de los parámetros del modelo fueron tomados de [1]. Las ecuaciones son las siguientes:
(1)donde,
x1 es la concentración del reactante en el reactor (kgmol/m3),
x2 es la temperatura en el reactor (ºC),
x3 es la temperatura de la chaqueta (ºC),
u es la salida del controlador limitada de 4 a 20mA,
F es la velocidad del flujo de alimentación (m3/s),
V es el volumen del reactor (m3),
CAi es la concentración del reactante de alimentación (kgmol/m3),
k es el coeficiente de velocidad de reacción (m3 kgmol-1 s-1),
Ti es la temperatura del flujo de alimentación (ºC),
D HR es el calor de reacción, asumido constante (J kgmol-1),
r es la densidad del reactante en el reactor (kg/m3),
Cp es la capacidad de calor de los reactantes (J kgmol-1 s-1),
U es el coeficiente de transferencia de calor (J s-1 m-2 ºC-1),
A es el área de transferencia de calor (m2),
Vc es el volumen de la chaqueta (m3),
r c es la densidad del flujo refrigerante en la chaqueta (kg/m3),
CpC es el calor especifico del refrigerante (J kg-1 ºC-1),
FC es el flujo refrigerante (m3/s),
Tci es la temperatura de entrada del refrigerante (ºC),
ko es parámetro de frecuencia de Arrhenius (m3 s-1 kgmol-1),
E es la energía de activación de la reacción (J/kgmol),
R es la constante de los gases ideal (J kgmol-1 K-1),
FCmax es el flujo máximo por la válvula de control (m3/s),
a es el parámetro de rangoabilidad de la válvula (válvula isoporcentual).
Las ecuaciones del sistema se simularon a través de la herramienta SIMULINK de la aplicación MATLABâ .
4. INTEGRACIÓN DE DATOS ENTRE EL MATLABâ Y EL LabVIEWâ
El LabVIEWâ es un ambiente de programación gráfico diseñado para desarrollar aplicaciones de: adquisición de datos, análisis de datos, diseño de interfaz humano-máquina, etc.
A los programas en LabVIEWâ se les denominan instrumentos virtuales (VI) debido a que en su aspecto y operación imitan los instrumentos reales. La interfaz del usuario se llama Panel Frontal. En el se pueden encontrar las perillas, los botones, los despliegue de gráficos y otros controles e indicadores. Por otro lado se tiene el Diagrama de Bloques, el cual muestra los componentes internos del programa. Para mayor información diríjase a la referencia [2].
En este caso utilizaremos un VI para visualizar el comportamiento de las variables de interés de la planta (datos provenientes del MATLABâ ). Las variables que se desean observar son: Temperatura del Reactor (x2), Flujo Refrigerante (FC), y la Presión a la Válvula (Pres1).
El esquema Cliente-Servidor para la interacción de las dos aplicaciones es el siguiente: el MATLABâ actúa como cliente ya que es el que genera los datos del proceso y trabaja de forma independiente. Por otro lado, en el LabVIEWâ se creó un VI que actuó como servidor mostrando los datos generados en MATLABâ y enviando los parámetros relacionados con el controlador (Kp, KI y corriente a la válvula V1).
Para integrar los datos de MATLABâ y LabVIEWâ es necesario la creación de una función DDE (Dynamic Data Exchange) en MATLABâ . La función DDE base empleada en este proyecto fue creada por Calderón J. et al. [3]. Además, en LabVIEWâ es necesario disponer de los VIs para DDE, mostrados en la figura 2. Este proyecto hizo uso de los bloques DDE ubicados en el icono DDE Server (server, item, set). El objetivo de las funciones DDE en general es el de establecer el protocolo de intercambio de datos entre las dos aplicaciones.
Para usar DDE, se debe establecer primero la apertura del canal de conversación. Además se debe especificar el servicio (service), el tema (topic) y el elemento (item). El servicio corresponde al nombre de la aplicación del servidor, el tema al archivo activo y el elemento a los datos que van a ser intercambiados. El protocolo DDE usado por LabVIEWâ está basado en el formato ASCII. Los datos enviados o recibidos por LabVIEWâ están en forma de cadena de caracteres (string), por tanto es necesario emplear convertidores de caracter a cadena y de cadena a caracter en ambas aplicaciones (MATLABâ y LabVIEWâ ).
Los datos enviados desde LabVIEWâ a MATLABâ son: el punto de operación (Set Point), el valor de la corriente al convertidor I/P de la válvula (opción manual), opción automático-manual (Aut/Man), los parámetros del controlador PI (Kp y KI ). El parámetro Aut/Man permite elegir desde LabVIEWâ el colocar el valor de la corriente a la válvula (IV1m) en forma manual (a través de una perilla en LabVIEWâ : Corriente a V1 manual, ver figura 3).
5. RESULTADOS
Se logró simular el proceso por medio de la aplicación MATLABâ , en donde se generaron los datos de forma exitosa. En LabVIEWâ se creó el panel de observación de las variables de interés y control del proceso (IHM), de fácil interacción con el usuario.
En la siguiente figura se muestra la interfaz humano-máquina creada en LabVIEWâ para el proceso estudiado:
Se realizó la integración satisfactoria de ambas aplicaciones (MATLABâ y el LabVIEWâ ) a través de las funciones DDE creadas.
Gracias a dicha integración se pudo observar el comportamiento en el tiempo de las variables de interés del proceso (x2, Fc y la Presión a V1). Además se pudo intervenir manualmente en el sistema y variar los parámetros del controlador en forma "remota".
6. CONCLUSIONES
Este trabajo presenta la integración exitosa de dos aplicaciones muy importantes en el área de automatización e instrumentación como son el MATLABâ y el LabVIEWâ . Debido al lenguaje de programación y protocolo que emplean estos paquetes, es relativamente sencillo el envío de datos en ambas direcciones. A través de la creación de sistemas integrados de esta forma es posible observar el efecto de variaciones del punto de operación del proceso o de los parámetros del controlador, en el proceso. También es posible observar la influencia de la instrumentación en el sistema. Todo esto gracias a la interfaz amigable creada en LabVIEWâ (Panel Frontal). Como se deduce inmediatamente, el tipo de integración aquí aplicado constituye una herramienta muy importante en el ámbito académico, la cual podría facilitar la enseñanza de los temas involucrados (control de sistemas, instrumentación industrial, etc.).
7. REFERENCIAS
[1] Smith C., y Corripio A., Principles and Practice of Automatic Control, John Wiley and
Sons, Inc. New York, 1997.
[3] 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
Al Laboratorio de Investigación y Desarrollo en Automatización e Instrumentación de la Universidad de Los Andes (LabIDAI) en Mérida-Venezuela, donde se realizó la implementación del trabajo.