SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIAFacultad De Ingeniería Química, Metalurgia Y Ambiental SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA INTEGRANTES: JAMANCA ANTONIO EDGAR M. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 1 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA INDICE RESUMEN INTRODUCCION CAPITULO I ASPECTO TEORICO Pág. 3 Pág. 4 Pág. 1 Pág. 5 Pág. 7 Pág. 9 Pág. 11 Pág. 15 Pág. 24 Pág. 27 Pág. 27 Pág. 27 Pág. 31 Pág. 34 Pág. 35 Pág. 35 1.1 Proceso De Destilación CAPITULO II MODELADO MATEMATICO 2.1 Ecuación diferencial 2.2 Transformada de Laplace 2.3 Diagrama de Bloque 2.4 Simulación Real CAPITULO III 3.1 Materiales 3.1.1 Equipo 3.1.2 Instrumentación 3.1.3 Diagrama de conexión 3.2 Métodos 3.2.1 Algoritmo experimental 3.2.2 Diseño de Programa 3.2.2.1 PLC tipo versamax 3.2.2.2 LabVIEW 8.2.1 3.2.3 Resultados ANALISIS Y DISCUCIONES CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA ANEXOS Control & Instrumentación de Procesos Químicos MATERIALES Y METODO Pág. 36 Pág. 44 Pág. 54 Pág. 57 Pág. 57 Pág. 58 Pág. 58 Pág. 59 2 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA RESUMEN El objetivo de este trabajo es el sistema de control de la columna de destilación lo cual debe permitir un seguimiento y control riguroso de los parámetros de operación en una destilación binaria. El control e instrumentación de procesos químicos se ocupa de las técnicas y de los instrumentos que se requieren para operar de forma segura y eficiente en las plantas químicas. En los planes de estudio de Ingeniería Química se incluye esta disciplina, la cual podrá capacitar a los estudiantes e ingenieros para analizar, diseñar e implementar estrategias sencillas de control de procesos, al mismo tiempo permitirá adquirir una formación básica a partir de la cual se podrán extender conocimientos para hacerse un especialista en la materia. Se pretende cubrir los objetivos antes señalados con un enfoque práctico de la disciplina, pero también con el soporte teórico necesario para fundamentar las técnicas de control. A continuación algunos detalles sobre lo señalado: LabVIEW es hoy un sistema de prueba y control de instrumentación, en el campo de la automatización y sistema de control e industrial para la adquisición de datos, análisis, monitorización y registro, así como para el control y monitorización de procesos, en el área de visión artificial para el desarrollo de sistemas de inspección en producción o laboratorio. Además permite reconocer las principales características de los Controladores Programables (PLCs) y su relación con los diversos componentes electrónicos y hardware (VersaPro) asociados a la automatización de máquinas y procesos. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 3 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA INTRODUCCIÓN Todo estudiante de la carrera de Ingeniería Química debe tener conocimientos mínimos de control automático de procesos y es por eso que en los planes de estudio del Ingeniero Químico se estudia esta disciplina. En el presente informe detalla el SITEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACION BINARIA lo cual es una de operación unitaria de trascendental importancia en Ingeniería Química y a nivel industria, debido a que es una operación básica, para la separación de productos. El proceso de destilación consiste en la separación de productos de una mezcla luida, lo cual se evapora y luego condensa, en este proceso están involucrados la transferencia de calor y masa en forma simultanea. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 4 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA CAPITULO I. ASPECTO TEORICO 1.1 PROCESO DE DESTILACION La destilación separa los componente de una mezcla liquida basándose en las diferencias de sus puntos de ebullición. Es el proceso básico para a la industria de procesos químicos, mientras otros procesos de separación tales como la extracción y la adsorción usan una cantidad de agente de separación, la destilación usa la energía como agente de separación: calor. La destilación es una separación de equilibriolimitada. El equilibrio liquido-vapor (ELV) es el tipo de equilibrio que interviene en las columnas de destilación, y la presión de vapor es la diferencia de propiedad primaria que forma la base para la separación. Normalmente la destilación puede diseñarse usando solamente propiedades físicas y datos de ELV, el escalamiento es a menudo muy fiable. Algunos aspectos importantes para recordar de la destilación: La destilación es un PROCESO DE SEPARCION TIPO COLUMNA. Sin tener en cuenta que sustancias de están separando, los principios básicos de diseño para la destilación siempre son similares. La asunción que las etapas en una columna de destilación están en conocimientos detallado de modelos de flujo y calor, y velocidades de transferencia de masa. Esta asunción es una simplificación mayor. Un rehervidor (“reboiler”) tipo calderín y un condensador parcial son cada uno una etapa de equilibrio. En general, si no están involucradas ningún azeotropico o corrientes laterales, se pueden separar n productos con n-1 columnas. Es necesario que las composiciones del vapor y composiciones de liquido sean diferentes a las condiciones de equilibrio que uno planea usar (es decir ningún azeotropo), por otra parte ninguna separación ocurrirá mas allá de la condición azeotropico. La destilación es diferente de la evaporación porque ambos componentes en destilación son apreciablemente volátiles. En la evaporación, normalmente solo un componente se vaporiza. Los productos necesitan ser térmicamente estables encima del rango de temperatura de operación. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 5 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Ningún componente corrosivo debe estar presente. Ningún componente que reaccione exotérmicamente (es decir genere calor) debe estar presente. Estas reacciones pueden “desbocarse” (“runawey”) y formar condiciones explosivas. La destilación es diferente de la absorción porque en la absorción se aprovecha las diferencias de solubilidad (absorción física) o las reacciones específicas (absorción química). Los principales tipos de destilación son: Destilación continua(por fraccionamiento) Destilación extractiva. Destilación azeotropica. Destilación por lotes(“batch”) Destilación de equilibrio(“flash”) Destilación dinámica. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 6 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA CAPITULO II. MODELADO MATEMATICO Los modelos dinámicos de columnas de destilación se encuentran entre los sistemas de control más complejos que hay para una sola unidad de operación. La complejidad del modelo estriba en la gran cantidad de ecuaciones diferenciales no lineales que se deben resolver para estudiar la respuesta dinámica de la temperatura, de la composición en cada plato y la composición de los productos. La destilación es un proceso que separa los componentes de una mezcla con base en sus diferentes puntos de ebullición. En el laboratorio de Operaciones Unitaria – Control e Instrumentación de procesos, contamos con una columna de destilación discontinua (Batch), que esta implementada con accesorios, aquí detallamos la columna de destilación: Figura Nº 01 Para poder resolver el modelo dinámico de control de una columna de destilación se debe tener en cuenta lo siguiente: a) b) c) d) Balance de Masa Total Balance por componente (o de elementos) Balance de Energía. Balance de Energía Mecánica (si acaso existiera) Control & Instrumentación de Procesos Químicos 7 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Las variables Finales a controlar a lo largo del tiempo son: xD (composición en el destilado) xB (Composición en las colas) Evaluando la ecuación general de conservación: O también: La razón de acumulación generalizada seria: Haremos los respectivos balances de conservación a la: Columna Rehervidor (Calderín) Condensador Con lo cual deberán resolverse simultáneamente. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 8 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 2.1 Ecuación diferencial MOLDEAMIENTO EN EL FONDO DE LA COLUMNA Balance total de masa: Dónde: Balance por componente en A: Dónde: MODELAMIENTO EN EL TOPE DE LA COLUMNA: Balance total de masa: Dónde: Balance por componentes en A: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 9 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA MODELAMIENTO EN EL TAMBOR DE REFLUJO Balance de masa total: Dónde: Balance por componente en A: Dónde: BALANCE DEL REHERVIDOR DE LA COLUMNA (CALDERÍN): Balance de masa total: Dónde: Balance por componente en A: Dónde: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 10 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA MODELAMIENTO DEL SISTEMA DE BOMBEO: Balance de materia: Considerando: Tenemos: Entonces: , 2.2 Transformada de Laplace APLICANDO LAPLACE A LA ECUACIÓN A LA COLUMNA: Dónde: Dónde: Entonces: Donde tenemos una ganancia: Ecuación auxiliar, en la columna, y aplicando Laplace Utilizando una ecuación auxiliar, porque tenemos una válvula donde retorna X 1(s) a la columna: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 11 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA APLICANDO LAPLACE A LA ECUACIÓN, EN EL TOPE DE LA COLUMNA: Dónde: Dónde: Entonces: Donde tenemos una ganancia: Ecuación auxiliar, en el tope de la columna: Tenemos una ecuación auxiliar, donde X 2(s), ingresa a la columna: APLICANDO LAPLACE A LA ECUACIÓN, EN EL TAMBOR DE REFLUJO Dónde: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 12 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Dónde: Entonces: Donde tenemos una ganancia: Ecuación auxiliar, en el tambor de Reflujo: Tenemos una ecuación auxiliar, donde X D(s), sale del tambor acumilador. APLICANDO LAPLACE A LA ECUACIÓN, EN EL REHERVIDOR DE LA COLUMNA (CALDERIN): Dónde: Dónde: Entonces: Donde tenemos una ganancia: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 13 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Ecuación auxiliar, en el Rehervidor de la columna (Calderin): Tenemos una ecuación auxiliar, donde XB(s), sale del Calderín. APLICANDO LAPLACE AL MODELAMIENTO DEL SISTEMA DE BOMBEO: Tenemos: Considerando Q(o)=0; Luego: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 14 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 2.3 Diagrama de bloque TENEMOS EL DIAGRAMA DE BLOQUE DE ALGEBRA, EN LA COLUMNA L2.X2(s)+V.YB(s) + X1(s) G1 L1.X1(s) + V1.Y1(s) Tenemos el diagrama de bloque de algebra, de la ecuación auxiliar, en la columna: X1(s) L1.X1(s) + V1.Y1(s) G2 Desarrollo del diagrama de bloques, en la columna Integrando los bloques: L2.X2(s)+V.YB(s) + X1(s) G1 G2 L1.X1(s) + V1.Y1(s) Simplificando: L2.X2(s)+V.YB(s) L1.X1(s) + V1.Y1(s) G(s)fondo Dónde: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 15 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Reemplazando en la ecuación (02.7), sus equivalencias: Simplificando la ecuación: Dónde: Entonces reemplazamos: Aplicando la transformada inversa a la ecuación anterior: Reemplazando las equivalencias: Donde reemplazamos por ecuación 02.5 Tenemos: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 16 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA TENEMOS SU DIAGRAMA DE BLOQUES DE ALGEBRA, AL TOPE DE LA COLUMNA FR.XD(s) + V.Y1(s) + X2(s) G3 L2.X2(s) + V2.Y2(s) Tenemos el diagrama de bloque de algebra, la ecuación auxiliar, en el tope de la columna: X2(s) L2.X2(s) + V2.Y2(s) G4 Desarrollo del diagrama de bloques, en el tope de la columna: Integrando los bloques: FR.XD(s) + V.Y1(s) + X2(s) G3 G4 L2.X2(s) + V2.Y2(s) Simplificando: FR.XD(s) + V.Y1(s) L2.X2(s) + V2.Y2(s) G(s)tope Dónde: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 17 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Reemplazando en la ecuación (04.7), sus equivalencias: Simplificando la ecuación: Dónde: Entonces reemplazamos: Aplicando la transformada inversa a la ecuación anterior: Reemplazando las equivalencias: Donde reemplazamos por ecuación 04.5 Tenemos: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 18 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA TENEMOS SU DIAGRAMA DE BLOQUES DE ALGEBRA, EN EL TAMBOR DE REFLUJO: V2.Y2(s) + XD(s) G5 (FR+FD)XD(s) Tenemos el diagrama de bloque de algebra, de la ecuación auxiliar: en el tambor de reflujo: XD(s) (FR+FD)XD(s) G6 Desarrollo del diagrama de bloques, en el tambor de Reflujo: Integrando los bloques: XD(s) + - G5 G6 (FR+FD)XD(s) Simplificando: V2.Y2(s) (FR+FD)XD(s) G(s)reflujo Dónde: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 19 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Reemplazando en la ecuación (06.7), sus equivalencias: Simplificando la ecuación: Dónde: Entonces reemplazamos: Aplicando la transformada inversa a la ecuación anterior: Reemplazando las equivalencias: Donde reemplazamos por ecuación 06.5 Tenemos: Aplicando Laplace a la ecuación, en el Rehervidor de la columna (Calderin): Control & Instrumentación de Procesos Químicos 20 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Dónde: Dónde: Entonces: Donde tenemos una ganancia: TENEMOS SU DIAGRAMA DE BLOQUES DE ALGEBRA, EN EL CALDERIN: L1X1(s) + XB(s) G7 V.YB(s)+FB.XB(s) Tenemos el diagrama de bloque de algebra, de la ecuación auxiliar, en el calderin: XB(s) V.YB(s)+FB.XB(s) G8 Desarrollo del diagrama de bloques, en el Rehervidor de la columna (Calderin): Integrando los bloques: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 21 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA L1X1(s) + - XB(s) G7 G8 V.YB(s)+FB.XB(s) Simplificando: L1X1(s) V.YB(s)+FB.XB(s) G(s)calderin Dónde: Reemplazando en la ecuación (08.7), sus equivalencias: Simplificando la ecuación: Dónde: Entonces reemplazamos: Aplicando la transformada inversa a la ecuación anterior: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 22 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Reemplazando las equivalencias: Donde reemplazamos por ecuación 0.5 Tenemos: Diagramas de bloques de algebra de sistema de bombeo: Aplicando la Laplace Inversa: Por lo tanto la ecuación que representa el sistema: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 23 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 2.4 Simulación real El modelamiento de una columna de destilación, evaluamos x D(t), que es la composición de destilado, que está en función del tiempo y otras variables: Dónde: Tenemos: Asumimos: Pero en la siguiente tabla se evaluó con un Entonces tenemos la siguiente tabla: t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 y2(t) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 XD(t) 0 0.174544 0.323241 0.448963 0.554297 0.641571 0.712884 0.77012 0.814973 0.848962 0.873451 0.88966 0.898681 0.901489 0.898954 0.891854 0.880877 0.866636 0.849675 0.830476 0.809461 Control & Instrumentación de Procesos Químicos 24 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Y la siguiente grafica nos muestra: 1 0,9 0,8 0,7 0,6 XD(t) 0,5 Curva 0,4 0,3 0,2 0,1 sp 0 0 5 10 15 20 tiempo, mit Control & Instrumentación de Procesos Químicos 25 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA CAPITULO III. MATERIALES Y METODO 3.1 MATERIALES 3.1.1 EQUIPO Columna de destilación a) Material de la columna: Acero Longitud: 100cm Diámetro exterior: 21 cm Long columna rectificada = 148 cm b) Capacidad y accesorios Capacidad máxima 12 litros c) Características y potencia eléctrica del hervidor Factor de potencia: 1500 W Aquí presentamos un bosquejo aproximado de la columna: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 26 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Diagrama de la destilación Batch Control & Instrumentación de Procesos Químicos 27 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Calderín: Tope de la columna de destilación: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 28 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Condensador: 3.1.2 Materiales Fuente de agua fría. Muestra a destilar Recipientes. Tarjeta de Adquisición de datos: 6008 Control & Instrumentación de Procesos Químicos 29 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 3.1.3 INSTRUMENTACION Para la instrumentación se utilizaron los siguientes sensores: Sensores de Temperatura: Sensor LM35 Cantidad instalada en el equipo: 3 LM35 Ubicación de instalación: Calderín, Tope, H2O de salida del condensador Imágenes de ubicación de los sensores de Temperatura en el equipo: Calderín Tope de la Columna Control & Instrumentación de Procesos Químicos 30 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Salida del H2O del condensador Sensor de Presión: Sensor de Presión KOBOLD SEN 86 01 Cantidad instalada en el equipo: 1 Sensor Ubicación de instalación: Calderín Imágenes de ubicación del sensor de Presión en el equipo: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 31 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Resistencia del Precisión de 250 Cantidad: 1 Resistencia. Ubicación: conexión en un protobard para la medición del sensor de presión. Transistor TIP 41 Cantidad: 1 transistor. Ubicación: conexión en un protobard para elevar el voltaje de la TAD 6008 National Instruments Transistor Tip 41 Control & Instrumentación de Procesos Químicos 32 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 3.1.4 DIAGRAMA DE CONEXIONES Conexión del equipo: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 33 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Conexión del transistor Tip 41 3.2 METODO 3.2.1 ALGORITMO EXPERIMENTAL En el sistema de control de la columna de destilación binaria, se tomo como base un Set Point de 78ºC en el Tope de la Columna de destilación, lo cual será Adquirida la señal en el CPU y mandara señal a la Resistencia para que se Apague si esta es igual o mayor del Set Point establecido. En la Programación del controlador de la destilación se utilizo un set point para la Bomba de 45ºC, lo cual al ser mayor o igual a ese set point encenderá la bomba. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 34 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 3.2.2 DISEÑO DE PROGRAMA 3.2.2.1 PLC TIPO VERSAMAX Para empezar a controlar cualquier proceso, el Ing. Químico o Ingeniero en procesos, debe elegir correctamente el tipo de software y hardware a aplicar para automatizar dicho proceso. Siendo el presente equipo una columna de destilación binaria, un equipo pequeño, que es utilizado en laboratorios experimentales, consideramos utilizar el Controlador Lógico Programable o también llamado comúnmente PLC. El PLC es un equipo electrónico inteligente diseñado a base de microprocesadores, que consta de unidades y modelos que cumplen funciones especificas, tales como: Unidad Central de Procesamiento que se encarga de casi todo el sistema. Módulos que permiten recibir información de todos los sensores y comandar todos los actuadores del sistema. Además es posible agregarle otros módulos inteligentes para funciones de preprocesamiento y comunicación. Una vez que se tiene la planta, con la instalación completa, es decir con los sensores de temperatura (LM35) adecuados en determinadas partes de la planta, principalmente en el calderín, columna del destilador y en la entrada y salida del refrigerante en el condensador, se realiza la conexión de estos sensores al PLC, a través de un conjunto de relays donde mediante la conexión PLC-Computadora se obtendrá los datos necesarios para así dar una respuesta al sistema, ordenándole o no que siga funcionando. Ahora se detallara la conexión PLC-Computadora, lo cual se detallara a continuación: Paso Nº1: Una vez que hemos instalado el programa VersaPro en el PC, hacemos doble clic en el icono respectivo (VersaPro) y nos saldrá el siguiente mensaje: Control & Instrumentación de Procesos Químicos 35 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Esto nos quiere decir que en cuatro días se caducará la licencia de prueba. Aceptar. Paso Nº2 En la barra de menú: Clic en File New Folder Paso Nº3 Poner el nombre respectivo de la carpeta (Folder Name) y la ubicación de la carpeta Finalizar. Paso Nº4 Doble en Hardware Configuration. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 36 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Paso Nº5 Convertir a Versamax. En la barra de menú: FileConvert ToVersamax. Paso Nº6 Clic derecho en PWRReplace Module; después seleccionar IC200PWR101OK Control & Instrumentación de Procesos Químicos 37 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Paso Nº7 Clic derecho en PWR 101 Replace CPUIC200CPU001OK Paso Nº8 Clic derecho en PWR 101Add Carrier/Base IC200CHS001OK Control & Instrumentación de Procesos Químicos 38 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Paso Nº9 En la nueva base:Clic derecho Add module clic en Analog Mixed IC200ALG430OK Paso Nº10 En la base anterior: clic derecho Replace CPUIC200CPU001OK Control & Instrumentación de Procesos Químicos 39 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Paso Nº11 En la misma base: clic derechoAdd Carrier/BaseIC200CHS001OK Paso Nº12 En la nueva base y la ultima: clic derechoAdd ModuleSeleccionar Discrete MixedSeleccionar IC200MDD847OK Control & Instrumentación de Procesos Químicos 40 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Paso Nº13 Guardar la configuración y cerrar la ventana. Ahora solo nos quedaremos con el VersaPro. PASO Nº14 Luego desde VersaPro: En la barra de menú ir a PLC y pulsar Connect para Conectar PLC-PC. PASO Nº15 Después se llega a Programar la secuencia Logica. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 41 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Control & Instrumentación de Procesos Químicos 42 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 3.2.2.2 LabVIEW Siendo el presente una columna de destilación binaria, un equipo pequeño, utilizado en laboratorios, consideramos utilizar el LabVIEW 8.2. LabVIEW es una herramienta de programación gráfica. Originalmente este programa estaba orientado a aplicaciones de control de instrumentos electrónicos usadas en el desarrollo de sistemas de instrumentación, lo que se conoce como instrumentación virtual (VI). Por este motivo los programas creados en LabVIEW se guardarán en ficheros llamados VI y con la misma extensión, que significa instrumento virtual (Virtual Instruments). También relacionado con este concepto se da nombre a sus dos ventanas principales: un instrumento real tendrá un Panel Frontal donde estarán sus botones, pantallas, etc. y una circuitería interna; esto se permite mediante una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) A continuación veremos cómo instalar y programar el software Labview 8.2 para una columna de destilación binaria. Paso Nº1: Se instala el Software de National Instruments LabVIEW 8.2 en la PC, y aparecerá la siguiente imagen. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 43 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Paso Nº2: Se hace click en “Install LabVIEW 8.2”; y de inmediato aparece la siguiente imagen. Paso Nº 3: Lo cual después de cargar se hace click en siguiente (Netx) y nos mostrara la siguiente imagen. Y nuevamente ponemos la opción siguiente (Next) lo cual permitirá la instalación automáticamente del programa y de los driver; lo cual automáticamente también se instalara Measurement & Automation y el LabVIEW SignalExpress. NOTA: para evitar molestias de caducación se recomienda poner el crack o licencia respectiva para que el programa será permanente, el crack se encuentra en Keygen 8.2 Control & Instrumentación de Procesos Químicos 44 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Paso Nº 4: Una vez que hemos instalado el programa National Instruments LabVIEW 8.2 con todos sus driver en el PC, hacemos doble clic en el icono respectivo (Measurement & Automation) lo cual nos permitirá configurar la tarjeta de adquisición de datos (DAQ 6008). Clic en My System Devices and Interfacesserial & parallel Paso Nº 5: Después de haber configurado la tarjeta, hacemos doble clic en el icono de National Instruments LabVIEW 8.2, lo cual nos mostrara la siguiente imagen. Paso Nº 6: En la barra de menú: Cic en FileNew VI Control & Instrumentación de Procesos Químicos 45 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Paso Nº 7: En el panel frontal se utiliza para controles e indicadores; en el diagrama de bloques contiene el código de fuente de grafico para la ejecución del VI Paso Nº 8: Después de terminar la instalación, se prosigue a programar. A continuación se montara la programación de la columna de destilación. Control & Instrumentación de Procesos Químicos 46 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA PASO Nº 8.1 PANEL DE CONTROL (VISTA DE PROCESO) Control & Instrumentación de Procesos Químicos 47 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA PASO Nº 8.2 PANEL DE CONTROL (Vista De La Adquisición De Los Datos Analógicos En La TAD 6008) Control & Instrumentación de Procesos Químicos 48 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA PASO Nº 8.3 PANEL DE CONTROL (Vista De La Adquisición De Los Datos Analógicos En La TAD 6008) Control & Instrumentación de Procesos Químicos 49 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA PASO Nº 8.4 PANEL DE CONTROL (Vista De La Adquisición De Los Datos Analógicos En La TAD 6008) Control & Instrumentación de Procesos Químicos 50 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA PASO Nº 8.5 PANEL DE CONTROL (Vista De La Adquisición De Los Datos Analógicos En La TAD 6008) Control & Instrumentación de Procesos Químicos 51 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA PASO Nº 8.6 PANEL DE BLOQUES (Vista de las conexiones y secuencia) Control & Instrumentación de Procesos Químicos 52 SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 3.2.3 RESULTADOS En la programación de LabVIEW 8.2 se realizo 2 corridas experimentales, los cuales se guardaron en el Excel según las especificaciones de la programación. Según los datos obtenidos fueron las siguientes. 53 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Grafica De Los Datos Obtenidos: De las corridas experimentales 54 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 55 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA ANALISIS Y DISCUSIONES: En el proceso del control de la columna de destilación binaria se observaron algunas perturbaciones ya que ello es por los empalmes en las conexiones. Para que se llevara a cabo e sistema de control de la columna de destilación, se tenía que enviar señal digital con la tarjeta de adquisición de datos 6008 de National Instruments. Lo cual no se podía llevar a cabo directamente, ya que se necesito la ayuda de fuentes de poder que elevara el voltaje de salida de la tarjeta de 4.5 V , lo cual se utilizo un transistor Tip 41 lo cual elevaría a mas de 9V para que pueda mandar apagar o encender una caja que genera 212 V – 220V en la cual se encuentra conectada la resistencia que se encuentra dentro del calderín. CONCLUSIONES Se puedo llevar a cabo el sistema de control de la columna de destilación binaria del Laboratorio de Control e Instrumentación de Ingeniería Química de UNJFSC-Huacho. Esto se realizo con el programa LabVIEW 8.2 y el PLC. 56 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA RECOMENDACIONES Para realizar el sistema de control de una de la columna de destilación o de cualquier equipo, es necesario realizar el Modelamiento respectivo para poder manipular las variables operacionales del sistema en el tiempo real. Además es necesario para no tener perturbaciones en la Adquisición de los datos es llevar un cableado sin empalmes lo cual no se distorsionará ya que son muy sensible al ruido y habrá perturbaciones, además es necesario tener una muy buena instalación de los sensores y saber qué tipo de sensores se tendrá que utilizar, esto se tomara según catálogos de sensores específicos en la cual podemos observar las características de ellos, viendo rangos o condiciones de uso. En el sistema de control de la columna de destilación, se utilizo un set point para el encendido de la bomba con respecto a la temperatura del tope de la columna de destilación, pero al adquirir los datos del sistema, hay perturbaciones y ello hace que la temperatura oscile de un momento a otro y después se establezca, lo cual indica que la bomba se encenderá y apagara según la variación de temperatura, pues ello es no recomendables que exista esas variaciones de encendido y apagado a cada momento porque puede llevar a ser un corto circuito ya que la conexión de la instalación de la bomba del LCIPQ es trifásica. Por ello se utilizo el control automático de la resistencia que se encuentra en el calderín, mediante la programación con la temperatura del tope de la columna. BIBLIOGRAFIA Katsuhiko Ogata, “Ingeniería de Control Moderna” Segunda Edición, Prentice Hall, 1996. Robert H. Perry – Don W. Green, “Manual del Ingeniero Químico Perry” (sexta edición 1992), Tomo VI – Control de procesos. Armando Corripio, Carlos Smith; “Control Automatico de Procesos” versión española, editorial LIMUSA 1991. 57 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA ANEXOS ESPECIFICACIONES DEL LM35 Sensor de temperature LM35 ESPECIFICACIONES Calibaracion directa en ° Celsius (Centigrade) Linear + 10.0 mV/°C factor de escala 0.5°C accuracy guaranteeable (at +25°C) Rated for full −55° to +150°C range Low cost due to wafer-level trimming Operates from 4 to 30 volts Less than 60 μA current drain Low self-heating, 0.08°C in still air Nonlinearity only ±1⁄4°C typical Low impedance output, 0.1 1 mA load for Aplicaciones típicas Instalación del LM35 LM35 FUENTE 9 – 5 vdc METER 58 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Especificaciones LM35 Limite probado 1.0 1.5 1.5 UNIDADE S (MAX.) PARÁMETRO CONDICIONES TA=+25 TA=-10 TA=TMAX TA=TMIN TA=+25 TA=TMAX TA=TMIN TMIN TA TMAX TMIN TA TMAX TA=+25 TMIN TA TMAX TA=+25 4V VS TMAX VS=+5V,+25 VS=+5V 4V VS 30V,+25 4V VS 30V Típica 0.4 0.5 0.8 0.8 Diseño limite Precisión, LM35 Precisión, LM35D No linealidad Ganancia del sensor Regulacion de la carga Reglamento de la linea Reposo actual Cambio de corriente de reposo Temperatura de coeficiente de reposo actual La temperatura mínima para la Precisión clasificado Estabilidad a largo plazo 0.3 10.0 0.4 0.5 0.01 0.02 56 105 0.2 0.5 +0.39 +9.8, +10.2 2.0 0.5 mV/ 5.0 mV/mA 0.1 80 2.0 0.2 158 3.0 +0.7 mV/V A A A A A/ En el circuito TJ=TMAX, for 1000h +1.5 0.08 +2.0 Calibración del LM35: Comparación del LM35 vs termómetro digital A continuación se mostrara datos experimentales en la cual se compara los datos registrados por el termómetro en Celsius y del LM35 que son recepcionados por el multitester la cual la señal de salida es en mvdc. Con los datos recolectados por los experimentos se compara la ganancia del LM35 teórico y experimental y además se buscara el diseño de la ecuación del sensor 59 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Primer experimento En el primer experimento se realizo con un calentamiento lento: Materiales: Hielo Recipientes Baterías de 9 V Multitester LM35(previamente conectada) Termómetro digital Los materiales se volverán a usar para el otro experimento: i 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 t(seg) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 TºC 3.7 10.8 17.1 19.4 32.1 47 61.2 73.4 85.5 89.6 94.4 96.7 98.7 103.5 mV 0.02 0.05 0.13 0.16 0.32 0.47 0.61 0.73 0.84 0.89 0.94 0.97 0.98 1.03 GRAFICA DEL EXPERIMENTO Nº1 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 20 40 60 80 100 mvdc VS ºC Lineal (mvdc… mV VS ºC y = 0.0104x - 0.0346 60 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA En la grafica se puede compara los datos experimentales Nº1 y la tendencia; y la ecuación de la recta que se podría decir que es la ecuación también del sensor: y = 0.0104x - 0.0346 Segundo experimento i 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 t(seg) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 TºC 4.1 11.2 16.5 21.8 40.3 61 78.2 85.7 93.7 95.2 95.8 97.1 97.4 97.6 mV 0.04 0.13 0.15 0.21 0.38 0.59 0.77 0.85 0.93 0.95 0.95 0.96 0.96 0.97 GRAFICA DEL EXPERIMENTO Nº2 1 mV VS ºC (2) y = 0.0099x - 0.0043 0,8 0,6 mvdc VS ºC (2) Lineal (mvdc VS ºC (2)) 0,4 0,2 0 0 20 40 60 80 100 61 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA En la grafica se puede compara los datos experimentales Nº2 y la tendencia; y la ecuación de la recta que se podría decir que es la ecuación también del sensor: y = 0.0099x - 0.0043 Ganancia del LM35 Para hallar la ganancia del LM35 en el experimento debemos de relacionar la velocidad de cambio de la variable de salida respecto a la variación de señal de entrada. X LM35 Transmisor (Multitester) Y Donde: Ganancia del sensor LM35 según tablas: Calculo de la ganancia según los datos del experimento: En el experimento Nº1: En el experimento Nº2: Conclusión La ganancia del sensor LM35 en el experimento es de aproximadamente 10.03 hacer la sensibilidad del proceso de medición. , esto viene 62 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Sensor de Presión pesado tipo compacto SEN-86../ SEN-87.. Reglamaneto de Uso Sensores de presión transmitir la señal de la presión mecánica en una señal de salida eléctrica. Los medios de comunicación, que están en contacto con el instrumento no debe teer ninguna efecto sobre los materiales de instrumento utilizado. No utilice las unidades estándares en aéreas peligrosas y para aplicaciones de oxigeno. Conexión electrica Asegurase de que el poder se desconecta durante la conexión del cable. La conexión eléctrica se realice ya sea a través de enchufe y en pin o por cable. El esquema de cableado se muestra en el, croquis que se adjunta o uno en la placa de características de su sensor. Significado de las marcas de conector diferente. UB+ polo positivo de la tensión de SUMINISTRO OV polo negativo de la tensión de ALIMENTACION S+ polo de la señal de salida SPolo negativo de la señal de salida Blindaje La protección del cable caja-tierra. Salida de Corriente Salida Tension de alimentacion De carga admisible Esquema de conexion Tensión de salida salida Tension de alimentaciom De carga admisible Esquema de conexion 2-cables del sistema 3-cables del sistema 0 … 5V 0 … 10V UB=15… 32VDC RA 5kOhm RA 10kOhm Vease el esquema 2-Cables del sistema 3-Cables del sistema 4-20mA 0-20mA UB=15… 32VDC RA[Ohm]=(UB[V] – 15V)/0.02A Vease esquema 63 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Dificultad Trouble Possible reason No hay tension de suministro de cable roto Sensor ha sido cableado defectuoso No hay presion Electronicos defectuosos causados por la tension de alimentacion de alta o por tension externa Toma de presion se registra Electronicos defectuoso causados por la tension de alimentacion de alta o por tension externa Sensor de presion mas presion Electronicos defectuosos causados por la tension de alimentacion de alta o por tension externa Tension de alimetacion de baja Resistencia a alta Sobrecarga mecanica Mechanical overburden What’s to do Revise la fuente de alimentacion y el cableado. Si es necesario reemplazar las piezas defectuosas. Compruebe el cableado de acuerdo a los bocetos si es necesario Compruebe que la tuberia, valvula se abren. Retorno del sensor a su reparacion Limpie la presion del puerto Retorno del sensor para su reparacion Retorno del sensor para su reparacion Retorno del sensor para su reparacion Ajuste la tension de alimentacion. Adhierese a un máximo. Resistencia permisible. Volver a nosotros para la rep. Vuelva a calibrar el senro resp. volver a nosotros oara la reparacion No hay señal Sin modificar la señal de cambio delapresion De alto, incluso en el cambio de presion constante de la señal Span de la salida a los pequeños Cero dela señal de alto La señal de salida no lineal 64 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Especificaciones tecnicas SEN-8600/SEN-8700 SEN-8601/SEN8-701 La presion negative o positive(relative) Presion absoluta 0.5% Of F.S. 1% Of F.S. -1 1 2, 5 4 6 10 16 25 40 60 100 160 250 400 600 To 60 bar, 2 times of max. rating above 60 bar. 1,5 times of max. rating 4-20mA(option:/1=0-5VDC, / 2=0-100 VDC) Pezos ceramic sensor resistivo 0,15% F.S 0,3% F.S 0,3% F.S 0,6% F.S Tipo de presion precision rangos Señal de salida Elemto de sensor repetividad Declaracion de caracteristicas Linealidad y la histeresis Estabilidad al año Material de la carcaza conexion Material de las partes en contacto Conexion electrica Flexible de tension Resistencia Compensacion de temperature. rango Efecto de la temperature el punto cero en los vanos de Tiempo de respuest Protection acc. DIN 40050 Rangos de temperatura Segun ajuste DIN 16086 0,2% F.S. condiciones de referencia De acero inoxidable 1.4305 G ½(tipo SEN-86..), G ¼(tipo SEN 87..) male acc. DIN 16288 De acero inoxidable 1.4305, ceramica(oxido de aluminio), seal NBR Segunpulg.. DIN 43650A 15 … 32VDC (UB -15V)/0,02A para la salida 4 – 20mA -40..+85 0,01% FS/K 0,04% FS/K 0,02% FS/K 0,02% FS/K 1 ms (within 10% to 90% FS) IP 65 tratero: -40 … +125 medios de medicion: -40 … +125 ambinte: -40 … +125 65 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 66 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 67 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Especificaciones de la tarjeta de Adquisición de datos 6008 68 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA 69 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Imágenes del proceso del sistema de control del sistema Instalación del transistor tip 41 y la fuente de poder para adaptar a la TAD Programación del Sistema de control de destilación en LabVIEW 8.21 70 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS SISTEMA DE CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN BINARIA Operación del programa 71 CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS