Capítulo 6. Aplicación de un Instrumento Inteligente
6.2. Proceso de Control de Temperatura
Para aplicar la propuesta, se toma como referencia el ejemplo en relación a la Simulación de un tanque de reacción con agitación continúa del capítulo 9 en la sección 9.5., del libro Control Automático de Procesos de Smith Corripio. El objetivo consiste en utilizar el diseño propuesto en la sección 6.1.
MICROCONTROLADOR BUS DE DATOS VCC 0 - 5V 4 – 20mA V I MAGNITUD FISICA SENSOR ANALÓGICO CONVERTIDOR A/D MODULO DE CONTROL MODULO DE COMUNICACIONES ELEMENTO SENSOR
INSTRUMENTO DE MEDICIÓN INTELIGENTE MICROCONTROLADOR BUS DE DATOS Ordenador digital de corrección Par Serie SEÑAL DIGITAL USART
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Se requiere el diseño de un instrumento de medición que mida la temperatura del tanque de agitación continua, convierta la variable medida a su valor correspondiente en grados centígrados; y posteriormente la transfiera mediante una conexión de datos a una estación de control remota para su almacenamiento, ver figura.
Figura 51.- Tanque de reacción con agitación continúa.
Suponiendo que tanto el reactor y el casquillo están combinados perfectamente, que los volúmenes y las propiedades físicas son constantes y que las pérdidas de calor se desprecian, las ecuaciones del modelo son:
Balance de masa del reactivo A
Donde:
Es la concentración de reactivo en el reactor, Es la concentración del reactivo en la alimentación,
Es la razón de alimentación, Es el volumen del reactor ,
Es el coeficiente de razón de reacción, Balance de energía en el contenido del reactor
Donde: RS-485 Cuarto de control Receptor Alimentación TT 21 TRC 21 TY 21 FC TC V CA T b m TFIJO F CAi Ti VC pA TC FC TC i Producto Refrigerante AO Control Comunicación 101001011101 Medición Cuarto de control a: Distancia: 1200 mtrs. Retraso: 10 a 20 mseg. F CA T
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Es la concentración de reactivo en el reactor, Es la temperatura de alimentación en el reactor,
Es la temperatura de alimentación, Es la temperatura del casquillo, Es la razón de alimentación, Es el volumen del reactor ,
Es el coeficiente de razón de reacción,
Es el calor de la reacción; se supone constante, Es la densidad del contenido del reactor,
Es la capacidad calorífica de los reactivos,
Es el coeficiente de transferencia de calor, Es el área de transferencia total de calor,
Balance de energía en el casquillo
Donde:
Es la temperatura de alimentación en el reactor, Es la temperatura del casquillo,
Temperatura de entrada del enfriador,
Es la capacidad calorífica de los reactivos, Es el coeficiente de transferencia de calor, Es el área de transferencia total de calor,
Es el volumen del casquillo, Es la densidad del enfriador, Calor especifico del enfriador,
Es la razón de flujo del enfriador, Coeficiente de razón de reacción
Donde:
Es la temperatura de alimentación en el reactor, Es el coeficiente de razón de reacción, Es el parámetro de frecuencia de Arrhemius, Es la energía de activación de la reacción,
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Retardo en el sensor de temperatura (TT21)
Donde:
Es la temperatura de alimentación en el reactor, Es la señal del transmisor en una escala de 0 a 1
Es el rango calibrado del transmisor,
Es el límite inferior del rango del transmisor,
Es la constante de tiempo del sensor de temperatura,
Controlador proporcional-integral con retroalimentación (TRC21)
El modelo del controlador proporcional-integral (PI) es la implementación “retroalimentaciónde reajuste” de la acción de integración.
Donde:
Es la constante de integración del controlador,
Es la variable de retroalimentación de reajuste del controlador. Es la señal de salida del controlador en una escala de 0 a 1
Donde:
Es el rango calibrado del transmisor,
Es el límite inferior del rango del transmisor,
Es la temperatura fija a la que se desea mantener el reactor, Es la variable de retroalimentación de reajuste del controlador. Es la señal de salida del controlador en una escala de 0 a 1 Es la ganancia del controlador, sin dimensiones
Es la señal del transmisor en una escala de 0 a 1 Límites de la señal de salida del controlador y transmisor
La señal b del transmisor y la señal m de salida del controlador son normalizadas, es decir, se expresan como fracciones de rango, lo cual hace que el modelo sea válido para instrumentación electrónica, digital y neumática.
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Válvula de control de porcentaje igual (aire para cerrar)
Donde:
Es la razón de flujo del enfriador,
Es la señal de salida del controlador en una escala de 0 a 1 Es el flujo máximo a través de la válvula de control,
Es el parámetro de ajuste en rango de la válvula.
En este modelo del reactor y de su controlador de temperatura, las variables de estado son
CA, T, Tc, b e Y. Las variables de entrada al modelo son F, CAi , Ti, Tci y Tfijo. Un punto que
vale la pena hacer notar es que, para el análisis del comportamiento del controlador, algunas de las variables auxiliares son más importantes que algunas de las variables de estado; por ejemplo, la salida del controlador, m, o razón de enfriador, Fc, son de mayor interés que la temperatura del casquillo, Tc, y la variable de retroalimentación de reajuste,
Y.
6.3.- Simulación del Proceso.
Para hacer la simulación del reactor se deben determinar los parámetros del modelo y las condiciones iniciales. En la práctica, los parámetros del modelo se obtienen a partir de las especificaciones del equipo y de los diagramas de tubería e instrumentación. A
continuación se trabaja con los siguientes parámetros del reactor.
= 7.08 = -9.86 x 10´ = 19.2 = 1.815 X 105 = 5.40 = 1.82 = 1000 = 4184 = 20 = 0.020 = 80 ° = 20 = 50 = 0.0744 = 1.182 X10´ = 3550
86 = 2.88 = 66 ° = 27 ° = 7.5 X 10-3 = 88 °C
Para efectuar la simulación del proceso, se realiza cada uno de los bloques en Simulink,
Figura 52, quedando los bloques de cada uno de los procesos de la siguiente manera:
Figura 52.- Simulación del proceso en Simulink
A continuación se desglosa cada bloque de la simulación. Balance de masa del reactivo A
Como variable de entrada se tiene la concentración de reactivo en la alimentación CAi, dicha concentración mantiene la concentración del reactivo en el reactor CA en un nivel,
en función del volumen del reactor y la razón de alimentación, como se ve en la Figura 53.
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Balance de energía en el contenido del reactor
Como variable de entrada se tiene la temperatura de alimentación y junto con los parámetros modelo, las condiciones iniciales y otras variables de estado controladas tienen la función de mantener la temperatura del reactor a una temperatura fija de 88 °C, como se muestra en la Figura 54. Esta temperatura es tomada por un instrumento de medición inteligente que tiene la función de transmitir la señal a un cuarto de control.
Figura 54.- Bloque: Balance de energía en el contenido del reactor
Balance de energía en el casquillo
Teniendo como variable de entrada la temperatura del reactor y variable auxiliar la razón de flujo del enfriador, se regula la temperatura el casquillo para cumplir con el control de la temperatura del reactor, esto se muestra en la Figura 55.
Figura 55.- Balance de energía en el casquillo
Coeficiente de razón de reacción
Este coeficiente de razón de reacción está en función de la variación de la temperatura del reactor, este coeficiente influye en mantener el balance de masa del reactivo y de la temperatura en estado estacionario del reactor.
88 Figura 56.- Bloque: Coeficiente de razón de reacciónRetardo en el sensor de temperatura (TT21)
Este bloque tiene la función de tener como salida la señal del transmisor a una escala de 0 a 1, esto es, la temperatura del reactor expresada en fracciones de rango, esto se muestra en la
Figura 57.
Figura 57.- Bloque: Retardo en el sensor de temperatura
Controlador proporcional-integral con retroalimentación (TRC21)
El propósito de la simulación es ajustar el controlador a las condiciones de operación de diseño, esto es, mantener la temperatura del reactor a una temperatura de 88°C. La variable de estado de este bloque es la señal normalizada del sensor de temperatura, se debe normalizar el punto de control del controlador y dar una señal de salida normalizada de 0 a 1, este bloque se muestra en la Figura 58.
Figura 58.- Bloque: Controlador proporcional-integral con retroalimentación
Válvula de control de porcentaje igual (aire para cerrar)
En la característica del flujo de porcentaje igual se produce un cambio muy pequeño en el flujo al inicio del desplazamiento del vástago de la válvula, pero conforme este se deslice hasta el 100% el flujo aumentara considerablemente, esto se muestra en la Figura 59.
89 Figura 59.- Bloque: Válvula de control de porcentaje igual (aire para cerrar)
Transmisor remoto
El instrumento de medición inteligente realiza la lógica de control y la transmisión serial de la señal de la temperatura, como se muestra en la Figura 60. La temperatura del reactor responde a la ecuación, esta señal se digitaliza para su transmisión al cuarto de control.
Figura 60.- Bloque: Transmisor remoto
Receptor Remoto
Este bloque recibe la señal muestreada de la temperatura del reactor, en el cuarto de control se guardan estos datos o se realiza alguna estrategia de control, este bloque se muestra en la Figura 61.
Figura 61.- Bloque: Receptor Remoto
6.4.- Gráficas de datos en sitio y datos remotos de la temperatura del reactor en °C.
La grafica de la Figura 62, es la grafica de la temperatura del reactor a una elevación de 2 °C en el punto de control que nos muestra el ejemplo en el libro. Esta grafica es la respuesta de la medición del sensor de temperatura.
90 Figura 62.- Grafica del ejemplo en libro, datos en sitio
La grafica de la Figura 63 se obtiene de la simulación del proceso en Simulink, es la señal del sensor de temperatura del reactor que se obtiene a la salida del bloque que se muestra en la Figura 54. Esta señal es digitalizada por el instrumento de medición inteligente para su
posterior transmisión serial de acuerdo al bloque de la Figura 60.
Figura 63.- Grafica de datos en sitio de la temperatura del reactor, simulación.
La grafica de la Figura 64 se obtiene de la simulación del proceso en Simulink, es la señal digitalizada que representa la temperatura del reactor y es recibida por el Receptor Remoto del bloque de la Figura 61. Esta señal presenta un retardo a la entrada debido a la distancia
a la que es transmitida.
Figura 64.- Grafica de datos en el Receptor Remoto, simulación.
La grafica de la Figura 65 se obtiene de la simulación del proceso en Simulink, esta grafica representa la comparación de la señal de temperatura del reactor a la salida del sensor en sitio y la señal digitalizada recibida por el Receptor Remoto en el cuarto de control. Se puede observar que la señal transmitida digitalmente pierde muy poca información, tiene
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tiempo, seg. T em pe ra tu ra , °C . 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tiempo, seg T e m p e ra tu ra , °C
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retardo de tiempo muy pequeño y un desplazamiento de señal por la distancia a la que es transmitida.
Figura 65.- Comparación de grafica de datos en sitio y remotos Grafica de datos en sitio Grafica de datos remotos
6.5.- Conclusiones
En la simulación del proceso se observo la similitud de estabilización de la temperatura en el reactor que muestra el ejemplo del libro. Esta simulación permitió dar un ejemplo la medición de la temperatura en el reactor y la transmisión de la señal de la temperatura a un cuarto de control; siendo estas tareas las principales que realizan instrumentos de medición inteligente.
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