Sistema de Monitoreo y Control en Línea para una Planta Piloto de Destilación (SPPD).

Introducción: 

El CENIDET es un centro de investigación a nivel postgrado dedicado a contribuir al fortalecimiento de la investigación aplicada al desarrollo tecnológico. Actualmente si se desea medir en línea las concentraciones molares en cada plato de una columna industrial (aproximadamente 50 platos), el costo de la instrumentación es muy elevado. Por esta razón es de gran interés investigar y desarrollar alternativas como solución a este problema. Una solución viable es el uso de observadores de estado (sensores virtuales), ya que su implementación se lleva a cabo en computadoras y su operación realiza la misma función de un sensor físico.

Descripción del Proceso de Destilación.  

La destilación es el método de separación de sustancias químicas; es la más empleada en la industria alimenticia, química, farmacéutica y petroquímica, y su objetivo principal es separar de una mezcla sus componentes aprovechando sus distintas volatilidades.  El proceso de destilación consiste en poner en contacto el vapor con el líquido al calentar la mezcla depositada en el hervidor de la columna (C1). Luego que la mezcla haya vaporizado y la fase de vapor haya condensado (E1), se comienza a tomar el destilado manteniendo constante la razón de reflujo (EV1).  

Descripción del Sistema:

El CENIDET cuenta con una planta piloto de destilación (PPD) con la instrumentación necesaria para poner en práctica conceptos de destilación y la capacidad de desarrollar conocimiento en el diseño de algoritmos de control para columnas de destilación, (ver Figura 1); además, cuenta con el desarrollo de un observador de estados para determinar las concentraciones molares en cada etapa de la columna (12 etapas). Se define al observador de estados como un sistema dinámico capaz de reconstruir o estimar el valor de los estados de un proceso, a partir del conocimiento de sus entradas y salidas. La finalidad del observador de estado es sustituir sensores físicos de costo elevado o inexistente para medir directamente parámetros físicos. 

La instrumentación de la PPD está conectada a dos reguladores llamados Digitric 500 de ABB. El uso de estos reguladores es importante debido al soporte del bus de campo Modbus y de la interfaz serial RS-485. Un bus de campo se puede definir como el medio de comunicación entre diferentes equipos de un sistema de automatización, esto puede ser, desde un sensor hasta un autómata programable. La técnica de comunicación Modbus es maestro-esclavo (computadora-PPD) en la cual solo un dispositivo, ‘el maestro’, puede iniciar ‘peticiones’, los otros dispositivos ‘esclavos’ responden al maestro con el dato solicitado o realizando la acción solicitada en la petición: a esto se le conoce como el ciclo petición-respuesta. En la Figura 2 se muestra el ambiente jerárquico para la estación de monitoreo, el cual permite la lectura y/o escritura a los diferentes dispositivos de la PPD, mediante el ciclo petición-respuesta de Modbus.  La PPD cuenta con tres lazos de control:

• Lazo 1. (TIC1). Controla la temperatura de la mezcla de alimentación en la columna mediante la potencia de calefacción de la resistencia eléctrica (J1). El control de la temperatura afecta el flujo de vapor y el del líquido presentes en cada plato de la columna.
• Lazo 2. (FIC1). Controla el flujo de agua que circula al condensador (E1). Al tener variación del flujo de líquido de enfriamiento, varía el porcentaje de líquido que se condensa. El control se realiza midiendo el flujo de agua (FI1) y actuando sobre la válvula electroneumática (FV1).
• Lazo 3. (PIC1). Controla la presión de operación de la columna mediante la bomba de vacío de anillo (G2) y una válvula neumática (PV1), con lo cual existe la posibilidad de operar la columna a presiones menores a la atmósfera. La pantalla principal del sistema de monitoreo (ver Figura 3) contiene el sinóptico del proceso de destilación de la PPD. 

Para el monitoreo y control de la planta piloto de destilación (PPD), el lenguaje de programación LabVIEW se utilizó para las tareas de adquisición, análisis y presentación de datos, además de ser una interfaz de programación gráfica y amigable al usuario.

En el desarrollo del sistema de monitoreo se tiene cuatro tareas importantes: la primera corresponde al control de la barra de botones y de menú, la segunda tarea se encarga de leer/escribir datos a la instrumentación, la tercer tarea permite al sistema almacenar los datos de cada dispositivo y por último, un subprograma encargado de ejecutar las diversas aplicaciones llamadas desde la barra de botones o menú.

La tarea del control de la barra de botones y de menú se resuelve utilizando una estructura de eventos, el cual determina qué caso debe ejecutarse mediante la selección del botón. La segunda tarea consiste de cinco subdiagramas que se ejecutan secuencialmente para escribir/leer los datos a cada dispositivo utilizando la librería de Modbus que NI ofrece. La tarea de almacenamiento de datos se usa para generar el reporte en formato Excel mediante Report Generation Toolkit. La cuarta tarea se resuelve por la capacidad de ejecución simultánea (multitasking) de LabVIEW, lo que facilita al sistema de monitoreo ejecutar las aplicaciones de: gráficas de temperaturas, control del tiempo de apertura/cierre de la electroválvula de reflujo (EV1), aplicación para modificar los parámetros de sintonía (PID) de los lazos de regulación TIC1, FIC1 y PIC1, y principalmente determinar las concentraciones molares en tiempo real. 

Es importante tener el control de apertura/cierre de EV1 ya que ésta permite que parte del vapor condensado sea colectado como producto destilado y el resto sea el reflujo para favorecer la destilación. La ventana de gráficas de temperaturas visualiza en línea la variación de las temperaturas (12 sensores PT100) y en función de los resultados, permite al usuario la toma de decisiones para actuar sobre la columna con el fin de mejorar la calidad del producto final.

La implementación del observador de estados ha sido de manera rápida utilizando NI PID Control Toolkit, con el cual se desarrolló una aplicación que permite leer las variables de entrada físicas de temperatura del hervidor y del condensador (T2 y T9 respectivamente), la potencia calefactora del hervidor (J2), el flujo de entrada de alimentación (G2) y la razón de reflujo (EV1). Con estas entradas y en base al modelo matemático, se puede estimar la concentración molar en línea de cada etapa de la columna. La validación de operación de este observador se realizó tomando muestras en cuatro etapas (hervidor, plato 4, plato 9 y condensador) de la columna, las cuales se analizaron en laboratorio mediante el método de cromatografía de gases, comparando los datos de las muestras con las del modelo. Cabe mencionar que las pruebas realizadas son con una mezcla binaria de metanol-etanol.

La Figura 4 muestra las aplicaciones de gráficas de temperaturas, control de los lazos (TIC1, FIC1, PIC1) y del control de tiempo de la válvula de reflujo (EV1).

Conclusión:

El sistema desarrollado en LabVIEW de tecnología flexible y versátil permite obtener lo siguiente:

1. Un sistema de monitoreo en tiempo real de diversas variables físicas del proceso de destilación, presentando una gran ventaja en el análisis del comportamiento de destilación para la toma de decisiones durante su ejecución, con la finalidad de mejorar la calidad del producto destilado.
2. El uso de la librería NI Modbus y de los dispositivos Digitric 500 de ABB para disponer de un sistema de adquisición de datos a bajo costo de instrumentación y permitir, de una manera efectiva, la mejora del procedimiento de destilación y el aumento de la eficiencia y confiabilidad de la planta. El uso de buses de campo, ofrece una reducción de 5 a 1 en los costos de cableado.
3. Lograr un sistema capaz de implementar en línea algoritmos de control complejos para aumentar el desempeño del proceso y la calidad del producto, como es el observador de estados que estima las concentraciones molares en línea, sustituyendo sensores físicos de alto costo.
4. Promover la investigación en columnas de destilación dentro del país (México) para lograr tener tecnología de punta, además de sistemas de monitoreo confiables a bajo costo de instrumentación y desarrollo.  

Información del Autor:

Fernando Rivas Cruz
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Vicente Guerrero No 11-15, Col Centro
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